Sprawozdanie z laboratorium proekologicznych źródeł energii

Transkrypt

1 P O L I T E C H N I K A G D A Ń S K A Sprawozdaie z laboratorium proekologiczych źródeł eergii Temat: Wyzaczaie współczyika efektywości i sprawości pompy ciepła. Michał Stobiecki, Michał Ryms Grupa 5; sem. VI Wydz. Fizyki Techiczej i Matematyki Stosowaej

2 I. Wstęp teoretyczy 1. Podstawy teoretycze pompy ciepła Pompa ciepła jest to urządzeie, którego celem działaia jest dostarczać ciepło o temperaturze wyższej od temperatury otoczeia. Obieg termodyamiczy pompy ciepła jest obiegiem lewobieżym, a różi się od obiegu chłodiczego tylko tym, że temperatura T o T ot (Rys. 1, 2 i 3). Ozaczeia a rysukach 1-3: T o - temperatura parowaia; W - praca dostarczoa do obiegu; T k - temperatura skraplaia; Q o - ciepło parowaia; T ot - temperatura otoczeia; Q k - ciepło oddae przez pompę 1

3 2. Współczyik wydajości pomp ciepła ε (COP) Miarą korzyści eergetyczych stosowaia pomp ciepła jest jej współczyik wydajości cieplej zdefiioway jako stosuek ilości ciepła oddawaego przez pompę i ilości doprowadzoej eergii do apędu urządzeia: ε Q k pc W gdzie: W praca doprowadzoa do apędu pompy ciepła Na podstawie obiegów chłodiczych (Rys.1 i 2) wyprowadzić moża zależość cieplą: Q Q W k o Uwzględiając powyższa zależość współczyik wydajości przyjmie zatem postać: ε pc Qk W Qo W W Aalizując powyższy wzór możemy stwierdzić, że ε pc > 1. Dla stosowaych obecie pomp ciepła współczyik te osiąga wartość: ε p Sprawość pomp ciepła η Sprawość pompy ciepła wyika z ogólego pojęcia sprawości. W licziku będzie ta wielkość, która jest celem działaia urządzeia, a więc ilość ciepła wykorzystaego do celów grzejych (czyli ciepło pobrae ze źródła dolego i praca dostarczoa do obiegu, która zamieia się w ciepło) w miaowiku za. będzie praca dostarczoa dla uzyskaia tego celu. Ciepło ma różą wartość zależą od temperatury, ależy zatem uwzględić tę wartość ciepła, którą moża przedstawić jako Q k (T), tak więc: gdzie: η pc Q k ΔT W Tk Tot T ; η 1 T Δ pc k Sprawość pomp ciepła jest miejsza, a w szczególym przypadku rówa jedości, poieważ pracę moża w całości zamieić w ciepło. 2

4 Dla obiegów absorpcyjych pomp ciepła będzie miał postać: η pca Q Q k d ΔT ΔT 1 2 w którym: Tk Tot Δ T 1 Tk Td Tot Δ T 2 Td gdzie: T ot - temperatura otoczeia T d - temperatura czyika dostarczaego do obiegu absorpcyjego jako grzejego W sprężarkowych pompach ciepła wysokość temperatury T k jest ograiczoa i zależy od kostrukcji sprężarki (wysokie ciśieie sprężaia), rodzaj czyika chłodiczego, oleju smarującego, sprawości i w praktyce ie przekracza 70 C. II. Budowa staowiska pomiarowego oraz przebieg ćwiczeia Staowisko pomiarowe składa się z: sprężarkowej pompy ciepła z wymieikami ciepła z wężowicą SECESPOL, zbiorika cwu 120 l, który modeluje zasobik ciepłej wody do celów użytkowych cwu i do ogrzewaia co. zbiorika zw 120 l, który modeluje dole źródło ciepła p.: ciepło ziemi, wody, powietrza, ścieków itp. dwóch pomp obiegowych, układu regulacyjo-pomiarowego (pomiar temperatur, mocy, czasu). 3

5 Dodatkowo staowisko zaopatrzoe jest w układ chłodzeia zbiorika cwu oraz dogrzewaia zbiorika zw. Umożliwia to zapewieie stałej temperatury dolego, górego lub jedocześie dolego i górego źródła ciepła. Chłodzeie realizowae jest wodą wodociągową. Pomiar objętościowego atężeia przepływu tej wody G (m 3 /h) oraz temperatury a wlocie t 1 ( o C) i wylocie t 2 ( o C) umożliwia, dla stau ustaloego lub metodą bilasową dla stau ieustaloego, wyzaczeie strumieia ciepła oddaego w górym źródle Q g (kw). Ogrzewaie elektrycze oraz pomiar mocy i czasu włączeia grzałki umożliwia wyzaczeie strumieia ciepła pobraego z dolego źródła ciepła Q d (kw). 1. Metodyka badawcza Badaie pompy ciepła przeprowadzoo w jedej 30 miutowej serii pomiarowej przy zmieej temperaturze zbiorika zw i cwu, uzyskując co 5 miut dae dotyczące temperatury zbiorika cwu i zw (z uzwględieiem gradietu pioowego), czasu i zużytej eergii elektryczej. Uzyskae w te sposób dae zebrao w poiższej tabeli: t [mi] ,98 25,69 29,43 33,41 36,90 40,20 43,09 45,81 T cwu [ C] 25,58 25,35 29,19 33,19 36,63 39,85 42,72 45,43 22,49 24,64 28,35 32,35 35,84 39,14 42,06 44,81 T cwu śr [ C] 23,68 25,23 28,99 32,98 36,46 39,73 42,62 45,35 24,63 22,15 17,40 14,48 11,86 9,44 7,38 5,51 T zw [ C] 25,26 20,98 17,50 14,53 11,84 9,56 7,36 5,54 25,13 21,33 18,10 14,88 12,25 9,87 7,72 6,13 T zw śr [ C] 25,01 21,47 17,67 14,63 11,98 9,62 7,49 5,73 Eergia [kj] 55, Obliczeia i wykresy: Wymiary zbiorików aśladujących dole i góre źródło: Średica : d 50 [cm] stąd promień r 25 [cm] 2,5 [dm] Wysokość : h 60 [cm] 6 [dm] Łatwo stąd wyzaczyć objętość V jako objętość walca. V h r 2 π V 6 (2,5) 2 π 117 [dm 3 ] 117 [l] 4

6 Następie obliczamy korzystając z astępujących zależości: ΔT cwu T cwu, śr,0 T cwu, śr, ΔT zw T ΔE E 0 ΔE N t ΔT T zw, śr,0 E cwu, śr T T zw, śr zw, śr, ΔT cwu [ C] ΔT zw [ C] ΔW [kj] N [kw] ΔT[ C] 1,56 3, ,62 3,76 3,76 3, ,8 11,32 3,99 3, ,8 18,35 3,48 2, ,8 24,48 3,27 2, ,8 30,11 2,89 2, ,8 34,97 2,73 1, ,8 39,62 ςvc pδt Qzw t V 117l C p,10c 4,195 kg ς 10C m t 300 [] s zw kj kg K Strumieie ciepła obliczamy ze wzorów: ςvc pδt Qcwu t V 117l C p,50c 4,178 kg ς 50C m t 300 [] s cpu kj kg K Q zw [kw] Q cwu [kw] 5,74 2,54 6,2 6,13 4,96 6,5 4,32 5,67 3,85 5,33 3,47 4,71 2,87 4,45 5

7 Współczyik efektywości obliczamy korzystając ze wzoru: Q ε cwu N Sprawość uzyskujemy z zależości: η Q cwu N Q zw ε η 1,56 0,35 3,4 0,77 3,61 0,96 3,15 0,93 2,96 0,94 2,62 0,89 2,47 0,95 Średi współczyik efektywości jest rówy: ε ε 19,77 7 2,82 Średia sprawość wyosi: η η 5,79 7 0,83 Powyższe wartości zgode są z wartościami oczekiwaymi tz. współczyik efektywości w założeiu powiie mieścić się w przedziale od 2 do 3, a jak widać powyżej jest to wartość 2,82. Sprawość teoretyczie powia zawierać się w przedziale procetowym od ok. 60 do 85 procet i tak też jest jej wartość to 83%. Należy zauważyć iż wartość współczyika efektywości maleje wraz ze wzrostem różicy temperatur pomiędzy zbiorikiem cwu i zw i osiąga miimalą wartość ε pc 2,47 dla różicy temperatur ΔT 39,62 [ C]. Zależość ta tłumaczy koieczość stosowaia ogrzewaia iskotemperaturowego w rzeczywistych istalacjach z pompą ciepła Poiżej zamieszczoo wykresy zależości poszczególych wartości wraz z dalszą aalizą badaego doświadczeia. 6

8 Zalerzość współczyika efektywości od różicy temperatur ε pc [-] 4 3,5 3 2,5 y -0,0388x 4,0629 R 2 0, ΔT [ o C] 50 Powyższy wykres zależości z dość dużą dokładością przybliżyć moża fukcją liiową (którą aiesioo a wykres, a dokładość wyzaczeia zweryfikowao przy użyciu współczyika korelacji). Jak widać wykres jest potwierdzeiem wcześiejszej tezy: współczyik efektywości maleje wraz ze wzrostem temperatury. Zalerzość temperatury zimej wody od czasu 29 temperatura T [ o C] y -0,0011x 3,7479 R 2 0, czas t [s] Jak widać a powyższym wykresie rówież ta zależość posiada charakter liiowy, ze stosukowo dużym, bo sięgającym 0,93, współczyikiem korelacji. Tym samym w 93% moża powiedzieć że jest to charakterystyka liiowa. Poadto wyraźie widać oczekiway spadek temperatury w czasie. 7

9 Zalerzość temperatury ciepłej wody użytkowej od czasu temperatura T [ o C] y 0,0109x 22,949 R 2 0, czas t [s] Powyższy wykres wyraźie przybliża liia prosta ze współczyikiem korelacji liiowej rówym 0,99. Rówież otrzymao oczekiway efekt tz. wzrost temperatury wody wraz z upływem czasu. III. Podsumowaie i wioski końcowe Pompy ciepła są urządzeiami, których zadaiem jest przeoszeie ciepła z dolego źródła o temperaturze iższej do górego źródła o temperaturze wyższej, w celu ogrzewaia wętrza budyku. Średia wartość efektywości procesu (miara korzyści eergetyczych pomp ciepła) dla badaego układu wyosi 2,82, co jest wartością dość przeciętą. Sprawość badaego układu jest stosukowo wysoka i wyosi 83%. Do badaego układu ie dołączoo układu grzejego, ai wymieika ciepła symulujących realą pracę pompy ciepła, dlatego powyższe obliczeia ależy traktować jako wartości dooszoe wyłączie do samej pompy, wyizolowaej z układu. W praktyce dole źródło posiada o wiele większą pojemość cieplą iż zastosoway w doświadczeiu zbiorik wody. Rówież góre źródło w praktyce połączoe z wymieikiem ciepła staowi bardziej skomplikoway układ, dla którego bilas ciepła i sprawość byłyby za pewe iższe do doświadczalych. Należałoby to uwzględić przy ewetualym plaowaiu kostrukcji grzewczej opartej a pompach ciepła p. dla budyku mieszkalego. 8