LABORATORIUM Z FIZYKI TECHNICZNEJ Ć W I C Z E N I E N R 7 WYZNACZANIE SPRAWNOŚCI POMPY CIEPŁA

Transkrypt

1 Projekt Plan rozoju Politechniki Częstochoskiej spółfinansoany ze środkó UNII EUROPEJSKIEJ ramach EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU SPOŁECZNEGO Numer Projektu: POKL /08 INSTYTUT FIZYKI WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I TECHNOLOGII MATERIAŁÓW POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA LABORATORIUM Z FIZYKI TECHNICZNEJ Ć W I C Z E N I E N R 7 WYZNACZANIE SPRAWNOŚCI POMPY CIEPŁA Politechnika Częstochoska, Centrum Promocji i Zastosoań Nauk Ścisłych ul. Dąbroskiego 73 pok. 178, Częstochoa tel./ fax , imi@imi.pcz.pl,

2 1. Zagadnienia do przestudioania Układ termodynamiczny, układ zamknięty, przemiana termodynamiczne odracalne i nieodracalne, przemiany gazoe: izotermiczna, izobaryczna, adiabatyczna, izentalpoa, zjaisko Joule a-thomsona, przemiany cykliczne, obieg sprężarkoej pompy ciepła, paroanie i skraplanie, entropia, piersza i druga zasada termodynamiki, zasada działania i zastosoanie pompy ciepła, spółczynnik efektyności pompy ciepła. 2. Cel ćiczenia Celem ćiczenia jest badanie pompy ciepła następujących arunkach pracy: oda - oda, tj. paronik (dolne źródło ciepła) oraz skraplacz (górne źródło ciepła) zanurzone odzie; poietrze - oda, tj. paronik otoczony poietrzem atmosferycznym (strumień poietrza chłodnego, strumień poietrza ciepłego, bez strumienia), skraplacz zanurzony odzie. Na podstaie parametró kąpieli układzie oda - oda obliczenie ilości pobranej i oddanej energii. Na podstaie pomiaró układzie poietrze - oda yznaczenie spółczynnika efektyności przy różnych temperaturach paronika. 3. Wproadzenie teoretyczne Zadaniem pompy ciepła jest pobieranie energii cieplnej ze środoiska o niskiej temperaturze i przekazyanie jej do środoiska o temperaturze yższej. Dzięki dużej pojemności cieplnej środoiska niskotemperaturoego (np. otoczenia budynku: ody, gruntu, poietrza), praktycznie nie następuje jego ychłodzenie. Pojemność cieplna środoiska ysokotemperaturoego (np. budynku lub pomieszczenia) jest relatynie mała, ziązku z czym przekazana energia ystarcza do jego ogrzania. Jak ynika z II zasady termodynamiki, operacja ta ymaga ykonania penej pracy. W przypadku pompy użytej ćiczeniu, pracę tę ykonuje elektryczna sprężarka (rys. 1). Działanie sprężarkoej pompy ciepła ilustruje rysunek 2. Jednoskładnikoa para czynnika roboczego zostaje sprężona Rysunek 1. Praca sprężarkoej pompy ciepła: Q d ciepło pobrane ze środoiska zimnego, Q ciepło dostarczone do środoiska ciepłego, W praca sprężarki za pomocą sprężarki i stanie (B) trafia do skraplacza, gdzie ulega skropleniu przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W trakcie kondensacji skraplaczu ydziela się ciepło, dostarczane

3 do tz. górnego źródła ciepła. Po opuszczeniu skraplacza, czynnik stanie (C) trafia do zaopatrzonego termostat zaoru rozprężnego, którym zostaje rozprężony od ciśnienia skraplania do ciśnienia paroania, osiągając stan (D). Znajdująca się stanie (D) mieszanina para - ciecz trafia do paronika, gdzie następuje jej odparoanie. W trakcie odparoania, arunkach izobaryczno - izotermicznych, czynnik pobiera ciepło ze źródła niskotemperaturoego (tz. dolnego źródła ciepła). Po opuszczeniu paronika, postaci pary o stanie (A), czynnik trafia pononie do sprężarki. Rysunek 2. Schemat ideoy sprężarkoej pompy ciepła Uproszczony przebieg przemian termodynamicznych czynnika roboczego zachodzących jednym cyklu pracy sprężarkoej pompy ciepła przedstaiony został e spółrzędnych T-S (temperatura - entropia łaścia) na rysunku 3. Na realizację pełnego cyklu składają się następujące przemiany: sprężanie izentropoe pary (przemiana adiabatyczna odracalna), chłodzenie izobaryczne pary, skraplanie izotermiczno-izobaryczne, rozprężanie izentalpoe, paroanie izotermiczno-izobaryczne.

4 Przemiana 1-2 realizoana jest sprężarce, przemiany zachodzą skraplaczu, przemiana 3-4 przebiega zaorze rozprężnym, zaś przemiany 4-1 paroaczu. W obiegu uproszczonym pominięte zostały m.in. straty ciepła do otoczenia oraz spadki ciśnienia ziązane z oporami przepłyu czynnika. T 3 K 2' x = 0 x = 1 Rysunek 3. Typoy uproszczony obieg sprężarkoej pompy ciepła e spółrzędnych T-S (obieg Lindego). Linią przeryaną zaznaczono krzye graniczne (x = 0 i x = 1, gdzie x jest stopniem suchości pary nasyconej mokrej) dla czynnika roboczego. Spotykają się one punkcie krytycznym K. Pomiędzy krzyymi granicznymi zaarty jest obszar pary nasyconej mokrej (mieszanina dufazoa ciecz + para). Punkty położone na prao od krzyej x = 1 odpoiadają stanom pary przegrzanej, zaś obszar położony na leo od krzyej x = 0 to obszar cieczy. s 3. Efektyność pompy ciepła Efektyność działania pompy ciepła określa spółczynnik ydajności, zany też skaźnikiem efektyności energetycznej, lub spranością energetyczną, zdefinioany jako stosunek użytecznych efektó energetycznych do energii napędoej urządzenia. W przypadku, gdy efektem użytecznym jest yłącznie ciepło oddane do środoiska ogrzeanego skaźnik efektyności obliczamy ze zoru Q (1) W Po uzględnieniu rónania bilansu energii (1) otrzymujemy Q (2) Q Q d Jak idać z poyższego zoru, spółczynnik ydajności pompy ciepła jest zasze iększy od 1, co śiadczy o tym, że jest to urządzenie znacznie bardziej efektyne od jakiegokoliek grzejnika elektrycznego, którym następuje zamiana zużyanej energii elektrycznej na ciepło. Doskonałość obiegu urządzenia rzeczyistego oceniamy przez porónanie jego spółczynnika ydajności z maksymalną ydajnością określoną przez II zasadę termodynamiki. Obliczymy teraz maksymalną spraność pompy ciepła działającej pomiędzy

5 źródłami ciepła o temperaturach T I i T II. Jest to spraność leobieżnego obiegu Carnota składającego się z dóch odracalnych przemian izotermicznych i dóch adiabatycznych. Zgodnie z II zasadą termodynamiki, suma przyrostó entropii szystkich ciał uczestniczących doolnym procesie musi być nieujemna. Suma przyrostó entropii szystkich ciał uczestniczących przemianie odracalnej (idealnej) jest róna 0, natomiast każdej rzeczyistej przemianie nieodracalnej jest zasze dodatnia. Obliczymy przyrosty entropii dla jednego pełnego cyklu pracy idealnej pompy ciepła, działającej zgodnie z obiegiem odracalnym. - Przyrost entropii czynnika roboczego: S 1 =0 (bo po ykonaniu pełnego cyklu przemian, czynnik raca do stanu początkoego, a ięc entropia stanie końcoym jest taka sama jak stanie początkoym). - Przyrost entropii dolnego źródła ciepła o temperaturze T I : S 2 = -Q d / T I. - Przyrost entropii górnego źródła ciepła o temperaturze T II : S 3 = Q / T II. Suma przyrostó entropii szystkich ciał uczestniczących procesie: S = S 1 + S 2 + S 3 = -Q d / T I + Q / T II = 0 (3) A ięc dla obiegu idealnego spełniona jest róność: Q d / T I = Q / T II, stąd Q d / Q = T I / T II (4) Ze zoru (3) ynika, że 1 Q Qd Qd 1 (5) Q Q Po podstaieniu rónania (4) do rónania (5) otrzymujemy 1 TI TII TI 1 T T max II Zatem spraność idealnej pompy ciepła, działającej sposób odracalny, ynosi: TII max (6) T T II II I Oczyiście spraność rzeczyistej pompy ciepła nie może przekraczać artości ynikającej ze zoru (6). 4. Zesta pomiaroy Schemat ideoy aparatury pomiaroej odpoiada schematoi z rys. 2. W zależności od ariantu pomiaró, dolnym źródłem ciepła jest oda lub poietrze atmosferyczne. Źródłem górnym jest zasze oda. Widok aparatury użyanej dośiadczeniu przedstaia rys. 4. Pompa ciepła zasilana z sieci energii elektrycznej. Temperatury na ejściach i yjściach paronika i skraplacza mierzone są za pomocą czterech termometró. Paronik i skraplacz mają postać spiral, umieszczonych pojemnikach o izoloanych termicznie bocznych ściankach, zaopatrzonych krany spustoe. Temperatury ody obu pojemnikach mierzone są za pomocą dodatkoych termometró. Badana pompa jest symetryczną pompą kompresoroą. Zastosoano niej czynnik roboczy typu R134a (czterofluoroetan CH 2 FCF 3 ). Konstrukcja pompy umożliia ygodną obserację zachodzących niej procesó. W tym celu niektóre podzespoły pompy

6 umieszczono na przedniej ściance obudoy, zaopatrzonej schemat ideoy, którego fragmenty oznaczono różnymi kolorami. Na rysunku 4 przedstaiono idok pompy raz z zaznaczonymi poszczególnymi podzespołami. Rys. 4 Pompa ciepła raz z zaznaczonymi elementami yposażenia. 1-kompresor, 2- skraplacz, 3,7- ziernik (okienko kontrolne ), 4,8 manometr, 5-zaór rozprężny, 6-paroacz, 1. Jak spomniano e stępie, kompresor (1), sprężając czynnik roboczy kosztem energii elektrycznej W, pooduje oprócz zrostu ciśnienia rónież zrost jego temperatury. Z tego zględu linia proadząca do sprężarki oznaczona jest kropkami kolorze niebieskim (chłodny gaz), podczas gdy linia ychodząca ze sprężarki kropkami kolorze czeronym (ciepły gaz). 2. W skraplaczu (2) czynnik roboczy przekazuje energię cieplną Q do górnego źródła pompy. W czasie tego procesu dominująca część energii Q ydziela się poprzez skroplenie czynnika roboczego (jedynie nieielka jej część ydziela się poprzez chłodzenie czynnika). Z tego zględu linia ychodząca ze skraplacza oznaczona jest jednolitym kolorem czeronym (ciepła ciecz). Na ejściu i yjściu skraplacza umieszczone są gniazda, umożliiające ygodny pomiar temperatury czynnika. 3. Wziernik (3) umożliia obserację stanu czynnika roboczego po opuszczeniu skraplacza. W czasie pracy pompy idoczna jest ciecz z nielicznymi pęcherzykami gazu. 4. Manometr (4) mierzy nadciśnienie czynnika roboczego. Uaga: W celu skorzystania z tabeli parametró czynnika roboczego, do skazań manometru należy dodać artość ciśnienia atmosferycznego róną 1 baroi (1 bar = 10 5 Pa). 5. Zaór rozprężny (5), poprzez obniżenie ciśnienia czynnika, pooduje rónież spadek jego temperatury. Linia opuszczająca zaór jest ięc oznaczona jednolitym kolorem niebieskim (chłodna ciecz). 6. W paroniku (6) czynnik roboczy pobiera energię Q d z dolnego źródła pompy. Dominująca część tej energii zostaje zużyta na odparoanie czynnika (jedynie nieielka część ciepła podgrzea czynnik). Na ejściu paronika znajduje się czujnik temperatury sprzężony z zaorem rozprężnym. Zadaniem czujnika jest takie steroanie pracą zaoru, aby do sprężarki trafiały yłącznie pary czynnika roboczego. Na ejściu i yjściu paronika umieszczone są gniazda, umożliiające ygodny pomiar temperatury czynnika.

7 7. Wziernik (7) umożliia obserację stanu czynnika roboczego po opuszczeniu paronika. W czasie pracy pompy idoczne są nieliczne pęcherzyki odparoującego czynnika (są zanurzone dominującej objętości par czynnika). 8. Manometr (8) mierzy nadciśnienie czynnika roboczego po opuszczeniu paronika (patrz uaga punkcie 4). W skład zespołu pompy chodzą rónież (nieidoczne z zenątrz) następujące podzespoły: zbiorniczek yrónaczy, zaierający zapas czynnika roboczego celu uzupełniania eentualnych strat; osuszacz czynnika roboczego, eliminujący eentualne resztki pary odnej; czujnik nadmiernego i niedostatecznego ciśnienia czynnika roboczego, zabezpieczający przed jego nadmiernym przegrzaniem bądź przechłodzeniem. Uaga: Czujnik ciśnienia może poodoać okresoe yłączenia sprężarki. Jego zadziałanie nie śiadczy o nienormalnej pracy pompy. 5. Przebieg ćiczenia 5.1 Pompa układzie oda-oda 1. Przygotuj domu 3 tabele do pisyania ynikó, zgodnie ze zorem podanym na końcu instrukcji. 2. Przy pomocy koneki napełnić oba zbiorniki jednakoa ilością ody odociągoej do poziomu zaznaczonego na ściankach zbiornikó. Uaga: spirale ymiennikó ciepła muszą być całkoicie zanurzone odzie; oda zbiorniku skraplacza (zbiornik pray) nie może być chłodniejsza niż oda zbiorniku paronika. 3. Starannie ymieszać odę zbiornikach. 4. Zapisz ciśnienie atmosferyczne (odczytać na praconi mechaniki i ciepła). 5. Umieść termometry (lub czujniki temperatury) zbiornikach z odą oraz 4 punktach pomiaroych na spiralach ymiennikó ciepła (paronika i skraplacza). Przed umieszczeniem termometró punktach pomiaroych na spiralach należy na ich końce nałożyć nieielką ilość pasty przeodzącej ciepło. 6. Dokonać pomiaru następujących ielkości: ciśnienia za skraplaczem p 1 (manometr (4)) oraz ciśnienia za paronikiem p 2 (manometr (8)); za pomocą termometró temperatury ody zbiorniku skraplacza T 1 oraz temperatury ody zbiorniku paronika T II ; za pomocą 4 termometró umieszczonych uchytach na spiralach ymiennikó ciepła temperatury czynnika chłodzącego na ejściu paronika T P1 (termometr 1) oraz na yjściu paronika T P2 (termometr 2), temperatury czynnika chłodzącego na ejściu skraplacza T S1 (termometr 3) oraz na yjściu skraplacza T S2 (termometr 4). 7. Włącz zasilanie pompy ciepła (yłącznik siecioy znajduje się na leej ściance urządzenia) oraz stoper. 8. Podczas działania pompy ciepła należy intensynie mieszać odę zbiornikach posługując się prętami szklanymi. 9. Co 2 minuty zapisuj tabeli skazania szystkich termometró (T 1, T 2, T S1, T S2, T P1, T P2 ) i manometró (p 1,p 2 ). Zakończ pomiary po ok. 20 minutach lub momencie samoczynnego yłączenia się pompy ciepła ( celu ochrony urządzenia

8 przed przegrzaniem steronik ciśnienia yłącza sprężarkę, jeśli nadciśnienie czynnika osiąga artość 16 bar). Wyłącz pompę ciepła. 10. Otierając krany spustoe opróżnić zbiorniki ody do oddzielnych koneek. Wodę zimną należy następnie lać do zbiornika skraplacza, odę ciepłą do rezeruaru paronika. Mieszając odę obydu zbiornikach schłodzić skraplacz i podgrzać paronik (temperatura obu części poinna osiągnąć ok. 20 C). Na zakończenie opróżnić zbiornik paronika. Uaga: Zbiornik nie opróżnia się całkoicie. Pozostająca ilość ody (ok. 300 cm 3 ) nie ma jednak istotnego płyu na yniki pomiaró układzie poietrze - oda (zanurzenie spirali paronika jest bardzo małe). 5.2 Pompa układzie poietrze-oda 1. Umieść suszarkę statyie. Odległość jej ylotu od spirali paronika poinna ynosić ok. 30 cm. Wylot poinien być skieroany tak, aby strumień poietrza trafiał środek objętości zbiornika. 2. Spradzić ustaienie przełącznikó suszarki. Jej grzałka musi być yłączona (przełącznik pozycji oznaczonej niebieskim punktem), przełącznik obrotó silnika ustaiony pozycji oznaczonej diema białymi kropkami. 3. Zmierzyć i zanotoać temperaturę ody zbiorniku. 4. Włączyć suszarkę i po chili łączyć zasilanie pompy. 5. Co 1-2 minuty mierzyć temperaturę T P2 (termometr 2) na yjściu paronika, temperaturę ody T 1 zbiorniku skraplacza. Pomiar temperatury ody musi być poprzedzony jej dokładnym ymieszaniem. Wraz z upłyem czasu poinna się ustabilizoać temperatura T P2. 6. Gdy temperatura ody przekroczy 30 C (przy T P2 const.) tj. po upłyie ok. 20 minut zakończyć pomiary yłączając pompę. Wyłączyć suszarkę. 7. Wypuścić nieielką ilość ody ze zbiornika skraplacza i przy pomocy koneki lub zleki dolać śieżej ody odociągoej (uaga na łaściy poziom!). Po ymieszaniu zmierzyć temperaturę ody. Czynność potarzać do momentu uzyskania temperatury ok. 20 C. 8. Włączyć grzałkę suszarki (przełącznik pozycji oznaczonej czeroną giazdką) i nastaić ją na maksymalną moc przełącznik ustaiony pozycji oznaczonej diema czeronymi kropkami); obroty silnika ustaione na maksimum (przełącznik pozycji oznaczonej diema białymi kropkami). 9. Potórz czynności z punktó 3-7 i zapisując yniki tabeli. 10. Potórz czynności z punktó 3-6 jednak bez obecności strumienia poietrza (yłączona suszarka). 11. Wyjmij termometry ze zbiornika i punktó pomiaroych, osusz je i starannie oczyścić z pasty przeodzącej ciepło, a następnie schoaj do pojemnikó. 12. Opróżnij zbiornik z odą skraplacza.

9 6. Tabele pomiaroe Zapis ynikó pomiaró p ot =... 1 mmhg = Pa Niepeności pomiaró bezpośrednich: a) temperatury za pomocą termometru: T =... c) ciśnienia p =... d) czasu t =... Tabela do pisyania ynikó jednej serii pomiaró t [min] 0 P [W] lot T P1 [ o C] Paroacz ylot T P 2 [ o C] źr. dolne T I [ o C] p 1 [bar] lot T S1 [ o C] Skraplacz ylot T S2 [ o C] oda T II [ o C] p 2 [bar] Q [W] Opracoanie ynikó 1. Na podstaie danych z tabel 1, 2 i 3 sporządź ykresy zależności temperatury czynnika roboczego oraz temperatury obu źródeł ciepła od czasu dla każdej serii pomiaroej (sześć krzyych: T P1 (t), T P2 (t), T I (t), T S1 (t), T S2 (t), T II (t) na każdym z trzech rysunkó). Przykładoy przebieg zmian temperatury przedstaiono na rys. 5. Na ykresach nanieś niepeności bezpośrednich pomiaró temperatury i czasu. Spradź czy urządzenie lub jego część np. paroacz pracoało sposób stacjonarny ( stanie stacjonarnym temperatura i ciśnienie stabilizują się). 2. Korzystając z przybliżonego zoru T Q II cm (7) t 1. gdzie c [J/kg] - ciepło łaście ody, m [kg] - masa ody zbiorniku, zaś TII / t [K/s] - przyrost temperatury ody zbiorniku jednostce czasu, oblicz średnią moc Q [W] pobieraną przez odę zbiorniku skraplacza kolejnych przedziałach czasu. Q 3. Korzystając ze zoru (8) P

10 gdzie P=120 W średnia moc napędoa sprężarki, oblicz efektyność pompy ciepła kolejnych przedziałach czasu. Porónaj ją z maksymalną efektynością pompy ciepła ynikającą ze zoru (6). Oszacuj niepeność pomiaru pośredniego 4. Dla stanó stacjonarnych oblicz ciepło paroania czynnika roboczego. a) Oblicz bezzględną artość ciśnienia czynnika stanie stacjonarnym p. W tym celu należy do artości odczytanej z manometru dodać ciśnienie atmosferyczne p ot odczytane z barometru iszącego na ścianie. b) Odczytaj z tabeli dodatku 1 artość entalpii łaściej czynnika postaci cieczy h i postaci pary h. Jeśli tabeli nie ma poszukianej artości ciśnienia, należy posłużyć się metodą interpolacji linioej. c) Oblicz ciepło paroania czynnika roboczego r [kj/kg] przy danym ciśnieniu p, korzystając ze zoru r h' ' h' (9) Dodatek 1. Parametry określające stan czynnika roboczego R134a na liniach granicznych x=0 i x=1: t - temperatura rzenia, p - ciśnienie (bezzględne) h - entalpia łaścia czynnika postaci cieczy punkcie pęcherzykó, h - entalpia łaścia czynnika postaci pary nasyconej suchej t [ o C] p [MPa] 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,0165 1,0721 1,1300 1,1901 1,2527 1,3177 h [kj/kg] 202,68 205,37 208,08 210,80 213,53 216,27 219,03 221,80 224,59 227,40 230,21 233,05 235,90 238,77 241,65 244,55 247,47 250,41 253,37 256,35 259,35 262,38 265,42 268,49 271,59 h [kj/kg] 399,84 401,00 402,14 403,27 404,40 405,51 406,61 407,70 408,78 409,84 410,89 411,93 412,95 413,95 414,94 415,90 416,85 417,78 418,69 419,58 420,44 421,28 422,09 422,88 423,63

11 Rys. 5 Przykładoy przebieg zależności temperatur układzie oda - oda funkcji czasu 7. Podsumoanie i nioski We nioskach odpoiedz na następujące pytania: 1. Czy efektyność pompy ciepła zależy od temperatury górnego i dolnego źródła ciepła? 2. Czy efektyność działania badanego urządzenia jest duża, czy mała porónaniu z efektynością maksymalną określoną przez II zasadę termodynamiki? 3. W jaki sposób można ziększyć efektyność działania pompy ciepła? 4. Czy ciepło paroania czynnika roboczego zależy od jego ciśnienia i temperatury (jeśli tak, to dlaczego)? 8. Literatura 1. W. Zaleski: Pompy ciepła. Podstay teoretyczne i przykłady zastosoań. Wyd. Politechniki Krakoskiej W. Zaleski: Pompy ciepła sprężarkoe, sorpcyjne i termoelektryczne. Podstay teoretyczne. Przykłady obliczenioe. IPPU MASTA D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Podstay fizyki t.2. PWN P. Grygiel i H. Sodolski, Laboratorium Konersji Energii, Politechnika Gdańska Materiały firmy PHYWE Systeme GmbH & Co. KG, Laboratory Experiments 2005

12 9. Dodatek Parametry określające stan czynnika roboczego R134a: t temperatura, p - ciśnienie (bezzględne) h - entalpia łaścia czynnika postaci cieczy, h - entalpia łaścia czynnika postaci pary nasyconej suchej t [ o C] p [MPa] 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,0165 1,0721 1,1300 1,1901 1,2527 1,3177 v [m 3 /kg] 0, , , , , , , , ,3833 0, , , , , , , , , , , , , , , ,01511 h [kj/kg] 202,68 205,37 208,08 210,80 213,53 216,27 219,03 221,80 224,59 227,40 230,21 233,05 235,90 238,77 241,65 244,55 247,47 250,41 253,37 256,35 259,35 262,38 265,42 268,49 271,59 h [kj/kg] 399,84 401,00 402,14 403,27 404,40 405,51 406,61 407,70 408,78 409,84 410,89 411,93 412,95 413,95 414,94 415,90 416,85 417,78 418,69 419,58 420,44 421,28 422,09 422,88 423,63