Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury górnego źródła ciepła

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA Wydział Budownicwa i Inżynierii Środowiska Kaedra Ciepłownicwa, Ogrzewnicwa i Wenylacji Insrukcja do zajęć laboraoryjnych Ćwiczenie nr 6 Laboraorium z przedmiou Alernaywne źródła energii Kod: ŚĆ3066 Opracował: mgr inż. Anna Werner-Juszczuk Białysok, luy 2017

2 1. Cel i zakres ćwiczenia laboraoryjnego Celem ćwiczenia jes wyznaczenie zależności pomiędzy wskaźnikiem efekywności COP a emperaurą źródła górnego pompy ciepła ypu woda-woda. 2. Podsawy eoreyczne 2.1. Pompa ciepła Pompą ciepła określa się maszynę cieplną, kóra odbiera ciepło Q d ze źródła o emperaurze niższej T d (źródło dolne) i przekazuje go (Q g ) do źródła o emperaurze wyższej T g (źródło górne), koszem doprowadzanej pracy zewnęrznej W (zw. proces podnoszenia poencjału cieplnego). Rys. 1. Schema działania silnika cieplnego, pompy ciepła oraz chłodziarki* [1] *Powszechnie przyjmuje się, że ciepło kóre układ przyjmuje z ooczenia jes dodanie, naomias ciepło kóre układ oddaje jes ujemne. Praca, kóra jes doprowadzana do układu (pobierana przez układ) jes ujemna, a praca odprowadzana przez układ wykonywana przez układ) jes dodania. Jak widać na rysunku 1, zasada działania chłodziarki i pompy ciepła jes aka sama. Różnicą jes cel działania, kórym w przypadku chłodziarki jes odprowadzenie ciepła od źródła o niższej emperaurze, a nie dosarczenie ciepła, jak w przypadku pompy ciepła, oraz warości emperaur przy kórych obiegi są realizowane. W prakyce obie e funkcje mogą być wykonywane przez jedno urządzenie, kóre będzie dosarczać ciepło (do ogrzewania budynku) lub chłód (do schładzania pomieszczeń) w zależności od porzeb. 2

3 Ze względu na sposób podnoszenia poencjału cieplnego (ransporu ciepła) wyróżnia się pompy ciepła: sprężarkowe (sprężarki łokowe, roacyjne, śrubowe, spiralne, przepływowe), absorpcyjne, ermoelekryczne. W prakyce najczęściej sosowane są sprężarkowe pompy ciepła, kórych schema ideowy przedsawiono na rysunku 2, realizujące ermodynamiczny obieg Lindego (zw. obieg sprężania pary). Rys. 2. Schema ideowy sprężarkowej pompy ciepła. S skraplacz, Sp sprężarka, P parownik, ZR zawór rozprężny Rys. 3. Obieg Lindego w układach T s, p h Symbole 1-4, na rysunkach 2 i 3 oznaczają poszczególne sany czynnika roboczego, realizującego obieg ermodynamiczny, na kóry składają się nasępujące procesy: 1 2 izenropowe sprężanie od pary nasyconej do pary przegrzanej, 2 3 wewnęrzna odwracalna przemiana przy sałym ciśnieniu, w kórej ciepło jes oddawane w skraplaczu, przejście ze sanu pary przegrzanej do cieczy nasyconej, 3 4 dławienie w zaworze rozprężnym, do momenu gdy P 4 =P 3 przy h 4 =h 3, 4 1 wewnęrzna odwracalna przemiana przy sałym ciśnieniu, w kórej ciepło jes pobierane w parowniku, przejście ze sanu mieszaniny cieczy z parą do sanu pary nasyconej. 3

4 2.2. Charakerysyki pomp ciepła Poszczególne elemeny insalacji pompy ciepła, głównie sprężarka oraz wymienniki ciepła (skraplacz i parownik), charakeryzują się dużą zdolnością do samoregulacji. Oznacza o, że samorzunie dososowują warunki pracy do zmiennych warunków, głównie emperaurowych. Sąd isnieje porzeba wyznaczania saycznych charakerysyk pomp ciepła, kóre określają zależność mocy cieplnej od paramerów dolnego i górnego źródła ciepła i kóre sanową podsawę do doboru pomp ciepła oraz analizy współpracy pomp ciepła z insalacjami c.w.u. i c.o.. Producenci w karach kaalogowych podają jedną warość mocy cieplnej pompy w sandardowych warunkach pracy, czyli przy nominalnej emperaurze źródła dolnego (emperaura nośnika dopływającego do parownika) i nominalnej emperaurze źródła górnego (emperaura nośnika odpływającego ze skraplacza). Temperaury sandardowe dolnego źródła ciepła, dla powierza zewnęrznego wynoszą 10, 7, 2, -7, -15 C, dla wody 10 C, dla solanki/glikolu 0 C, 7 C. W przypadku źródła górnego, emperaura sandardowa dla powierza odpływającego ze skraplacza wynosi 20 C, dla wody 35, 45, 55 C. Oznaczenia paramerów pompy ciepła podawane są w karach kaalogowych zgodnie ze wzorcem: np. B0/W35 C oznacza, że jes o pompa sysemu solanka/woda, emperaura solanki przed parownikiem wynosi 0 C, a emperaura wody za skraplaczem 35 C. Pompy ciepła najczęściej pracują przy emperaurach innych niż sandardowe, co zmusza projekanów do żmudnych przeliczeń ich paramerów. W związku z ym isnieje porzeba podawania charakerysyk pomp ciepła w całym zakresie ich sosowania, nie ylko w warunkach sandardowych. Oprócz charakerysyk pompy ciepła, konieczna jes znajomość charakerysyk hydraulicznych wymienników ciepła parowacza i skraplacza, w celu zwymiarowania insalacji i doboru pozosałych elemenów insalacji (pompy obiegowe, wenylaory). Charakerysyka sayczna sprężarek określa zależność pomiędzy mocą cieplną uzyskiwaną w skraplaczu a paramerami źródła dolnego i górnego emperaurą parowania i skraplania. 3. Meodyka badań 3.1. Budowa sanowiska Rys. 4. Główne elemeny sanowiska badawczego:1 pompa ciepła z wymiennikami ypu woda woda, powierze woda, powierze powierze, woda powierze, 2 jednoska serująca, 3 kompuer 4

5 1 sprężarka 7 - zawór czerodrogowy AVS-1 2 skraplacz powierzny 8 zbiornik akumulujący czynnik chłodniczy 3 skraplacz wodny 9 filr 4 parownik powierzny 10 separaor cieczy 5 parownik wodny 11 zawór bezpieczeńswa 6 - zawór rozprężny AVEX-1 Rys. 5. Schema pompy ciepła 3.2. Oznaczenia 1) Pomiar ciśnienia SP-1 czujnik ciśnienia czynnika chłodniczego na wyjściu ze sprężarki SP-2 czujnik ciśnienia czynnika chłodniczego na wejściu do sprężarki M-1 manomer na wyjściu ze sprężarki M-3 manomer za zaworem rozprężnym M-2 manomer na wyjściu ze skraplacza M-4 manomer na wejściu do sprężarki 2) Pomiar przepływu SC-1 SC-2 czujnik przepływu czynnika chłodniczego czujnik przepływu wody przez skraplacz wodny 5

6 SC-3 czujnik przepływu wody przez parownik wodny 3) Pomiar emperaury ST-1 ST-2 ST-3 ST-4 ST-5 ST-6 ST-7 ST-8 ST-9 ST-10 emperaura czynnika chłodniczego na wyjściu ze sprężarki emperaura czynnika chłodniczego na wyjściu ze skraplacza emperaura czynnika chłodniczego na wejściu do parownika emperaura czynnika chłodniczego na wejściu do sprężarki emperaura wody na wejściu do skraplacza wodnego i parownika wodnego emperaura wody na wyjściu ze skraplacza wodnego emperaura wody na wyjściu z parownika wodnego emperaura powierza w pomieszczeniu (emperaura na wejściu do parownika powierznego i skraplacza powierznego) emperaura powierza na wyjściu ze skraplacza powierznego emperaura powierza na wyjściu z parownika powierznego 4) Zawory regulacyjne AEAI-1 ACAI-1 zawór na wejściu do parownika powierznego służący do regulacji srumienia powierza przez parownik (pokręło na panelu roboczym w aplikacji kompuerowej) zawór na wejściu do skraplacza powierznego służący do regulacji srumienia powierza przepływającego przez skraplacz (pokręło na panelu roboczym w aplikacji kompuerowej) AEWI-1 ACWI-1 zawór do regulacji przepływu wody przez parownik wodny zawór do regulacji przepływu wody przez skraplacz wodny AVS-3 AVS-4 AVS-5 AVS-6 zawór do wyboru powierza jako dolne źródło ciepła (wybór parownika powierznego) zawór do wyboru wody jako dolne źródło ciepła (wybór parownika wodnego) zawór do wyboru wody jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza wodnego) zawór do wyboru powierza jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza powierznego) 6

7 3.3. Meodyka pomiarów 1) Za pomocą zaworu AVS-4 wybrać wodę jako dolne źródło ciepła (wybór parownika wodnego) 2) Za pomocą zaworu AVS 5 wybrać wodę jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza wodnego). 3) Uruchomić jednoskę serującą. 4) Uruchomić aplikację kompuerową (przycisk START na panelu roboczym). 5) Za pomocą zaworu AEWI-1 usawić przepływ wody przez parownik na poziomie zadanym przez prowadzącego. 6) Za pomocą zaworu ACWI-1 usawić przepływ wody przez skraplacz na poziomie zadanym przez prowadzącego. 7) Uruchomić sprężarkę wciskając na panelu roboczym przycisk COM. 8) Odczekać, aż układ się usabilizuje dokonując co 3 minuy odczyu warości określonych w abeli 1. 9) Po usabilizowaniu się układu odczyać wskazania określone w abeli 2. 10) Urzymując sały przepływ przez parownik wodny, zredukować przepływ wody przez skraplacz o warość wskazaną przez prowadzącego. 11) Odczekać, aż sysem się usabilizuje. 12) Powórzyć czynności 4-6 czerokronie, aż przepływ wody przez skraplacz osiągnie warość 1 l/min. 13) Wyniki zapisać w abeli 2. 14) Po zakończeniu odczyów wyłączyć sprężarkę. 7

8 Tabela 1. Zesawienie wyników pomiarów ST-5 ST-6 ST-5 ST-6 ST-5 ST-6 ST-5 ST-6 ST-5 ST-6 ST-5 ST-6 gdzie: T czas pomiaru Tabela 2. Zesawienie wyników pomiarów Energia zużya przez sprężarkę [ ] Temperaura wody na wejściu do skraplacza i [ ] do parownika ST-5 Temperaura wody na wyjściu ze skraplacza [ ] ST-6 Temperaura wody na wyjściu z parownika [ ] ST-7 Przepływ przez skraplacz SC-2 [ ] Przepływ wody przez parownik SC-3 [ ] Gęsość wody na wyjściu ze skraplacza [ ] Tabela 3. Zesawienie wyników obliczeń Temperaura wody na wyjściu ze skraplacza [ ] ST-6 T g Współczynnik efekywności COP [ ] Imię i nazwisko sudena: Daa wykonania ćwiczenia: 8

9 3.4. Analiza wyników badań 1) Na podsawie wykonanych pomiarów obliczyć współczynnik COP Moc grzewcza pompy ciepła Q mc T T p 2 1 J s (1) gdzie: m - przepływ masowy wody przez skraplacz, kg/s, J c p - ciepło właściwe wody 4180 kg K, T - emperaura wody na wejściu do skraplacza, C, 1 T - emperaura wody na wyjściu ze skraplacza, C. 2 Uwaga: Przepływ objęościowy należy przeliczyć na przepływ masowy. Przyjąć gęsość wody na wyjściu ze skraplacza. Współczynnik efekywności COP Q COP (1) W gdzie: Q moc grzewcza pompy ciepła, J/s, W moc napędowa sprężarki, J/s. 2) Wyniki obliczeń zesawić w abeli 2. 3) Na podsawie wyników sporządzić wykresy: zależność pomiędzy wskaźnikiem efekywności pompy ciepła COP a emperaurą źródła górnego (T g - T d ), zależność pomiędzy emperaurą źródła górnego T g a przepływem wody przez skraplacz Wnioski 1) Dlaczego bierze się pod uwagę emperaurę wody na wyjściu ze skraplacza, a nie emperaurę wody na wejściu do skraplacza? 2) Opisać zależność pomiędzy COP a (T g - T d ). 3) Opisać zależność pomiędzy T g a przepływem wody przez skraplacz. 9

10 4. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać nasępujące informacje: 1) Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku sudiów, laboraorium i yuł ćwiczenia, daę wykonania ćwiczenia, 2) Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem: a) cel i zakres ćwiczenia laboraoryjnego, b) opis rzeczywisego sanowiska badawczego, c) przebieg realizacji eksperymenu, d) wykonanie porzebnych przeliczeń i zesawień, e) wykresy i charakerysyki, f) zesawienie i analiza wyników badań. 3) Posumowanie uzyskanych wyników w posaci wniosków. 5. Wymagania BHP Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są sudenci, kórzy zosali przeszkoleni (na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboraorium. W rakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przesrzeganie przepisów porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego. Wszyskie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elekrycznych należy wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia. Zabrania się manipulowania przy wszyskich urządzeniach i przewodach elekrycznych bez polecenia prowadzącego. 6. Lieraura 1) Rubik M.: Pompy ciepła: poradnik. Ośrodek Informacji "Technika insalacyjna w budownicwie", Warszawa, ) Rubik M.: Pompy ciepła w sysemach geoermii niskoemperaurowej : monografia. MULTICO Warszawa, ) Oszczak W.: Ogrzewanie domów z zasosowaniem pomp ciepła. Wydaw. Komunikacji i Łączności Warszawa, ) Zawadzki M.: Kolekory słoneczne, pompy ciepła - na ak. Polska Ekologia, Warszawa, ) PN-EN 14825:2012 Klimayzaory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła, ze sprężarkami o napędzie elekrycznym, do ogrzewania i chłodzenia - Badanie i charakerysyki przy częściowym obciążeniu 6) PN-EN 14511:2012 Klimayzaory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elekrycznym, do grzania i ziębienia 10