Politechnika Gdańska Chłodnictwo Temat: Odzysk ciepła skraplania i ciepła przegrzania oraz jego wpływ na działanie urządzenia chłodniczego wykonali : Kamil Kaszyński Wojciech Kątny wydział : Mechaniczny data: 01.04.2008
Wstęp: W dzisiejszych czasach jesteśmy zmuszeni do poszukiwania nowych źródeł energii. Wpływa na to wiele czynników, z których chyba najwaŝniejszy to chęć produkowania czystej energii, ograniczającej emisję toksycznych związków chemicznych do atmosfery. Drugim powodem zwiększonego zainteresowania produkcją tego typu energii jest na pewno chęć pozyskiwania alternatywnych źródeł energii ze względu na zmniejszającą się ilość, a co za tym idzie wzrost cen tradycyjnych nośników energii (np. ropa naftowa, węgiel kamienny). I tak teŝ, jedną z moŝliwości wychodzących naprzeciw tym oczekiwaniom jest odzysk ciepła z urządzeń chłodniczych, którym jest ciepło przegrzania spręŝonych par czynnika oraz ciepło ich skraplania. Przebieg oddawania ciepła przez czynnik chłodniczy: Aby obniŝyć temperaturę środowiska chłodzonego poniŝej temperatury otoczenia i utrzymać tą temperaturę na odpowiednio niskim poziomie, naleŝy odbierać od środowiska chłodzonego (w parowniku) odpowiednią ilość ciepła q 0. Zgodnie z teorią spręŝarkowych parowych obiegów chłodniczych naleŝy przy tym wykonać pracę napędową spręŝarki. Do otoczenia (poprzez skraplacz) oddawane jest ciepło skraplanie q k równe sumie ciepła odebranego ze środowiska chłodzonego q 0 oraz pracy napędowej. W owym skraplaczu najpierw odbierane jest ciepło przegrzania par czynnika, którego wartość moŝna określić jako q kp =h(2)-h(2 ).Para czynnika o parametrach pkt.2 na wykresie jest parą suchą nasyconą o temperaturze t (k). Dopiero po osiągnięciu tego stanu rozpoczyna się właściwe skroplenie par czynnika chłodniczego. Wartość właściwą ciepła skraplania moŝemy określić jako q k =h(2 )-h(3). w punkcie 3 mamy do czynienia z ciekłym czynnikiem o temperaturze t(k).zwykle w skraplaczu ma miejsce równieŝ dochłodzenie ciekłego czynnika do temperatury t(d) odbierając przy tym ciepło dochłodzenia q d.
Całkowita ilość ciepła odebranego od czynnika chłodniczego w skraplaczu jest sumą ciepła przegrzania par czynnika, ciepła właściwego skraplania oraz ciepła dochłodzenie ciekłego czynnika, zatem: q k =q kp +q k +q d Sposoby realizacji odzysku ciepła: W zaleŝności od planowanego zakresu odzysku ciepła z instalacji chłodniczej, moŝna wyróŝnić dwa sposoby jego realizacji: częściowy odzysk ciepła( jako źródło uŝytecznej energii odpadowej wykorzystuje się tylko ciepło przegrzania par czynnika chłodniczego) całkowity odzysk ciepła ( jako źródło uŝytecznej energii odpadowej wykorzystuje się równieŝ ciepło skraplania par czynnika chłodniczego) Całkowity odzysk ciepła skraplania Odzysk ciepła obejmuje całkowite ciepło skraplania q k łącznie z ciepłem przegrzania q kp oraz ciepłem dochłodzenia q d (jeŝeli dochłodzenie jest realizowane). W instalacji chłodniczej znajduje się płytowy skraplacz wodny, który umieszczony jest równolegle (rys.1) do skraplacza powietrznego(wykorzystywanego podczas pracy poza sezonem grzewczym) lub szeregowo(rys.2) przed skraplaczem powietrznym. JeŜeli mamy stuprocentowa pewność, Ŝe zapotrzebowanie na ciepło z odzysku występować będzie zawsze, wówczas moŝna w ogóle zrezygnować z zastosowania skraplacza powietrznego (rys3). rys.1) Umieszczenie równoległe płytowego skraplacza wodnego(wymiennika) rys.2) Umieszczenie szeregowe płytowego skraplacza wodnego(wymiennika)
rys.3)brak stosowania skraplacza powietrznego Charakterystyki poszczególnych połączeń: a)równoległe umieszczenia płytowego skraplacza wodnego(wymiennika): wymaga stosowania zaworów regulacyjnych sterujących przepływem strumienia czynnika chłodniczego do odpowiedniego skraplacza; zalecane jest stosowanie zaworów zwrotnych zapobiegających ucieczce czynnika do niepracującego skraplacza poza sezonem grzewczym strumień czynnika nie przepływa przez skraplacz wodny (mniejsze straty wynikające z oporów przepływu).jest to duŝa zaleta. przy zastosowaniu odpowiednich zaworów regulacyjnych istnieje moŝliwość dokonywania rozdziału strumienia czynnika chłodniczego oraz częściowy odzysk ciepła skraplania sterowania zaworami regulacyjnymi moŝe być realizowany w sposób ręczny(ręczne zawory odcinające), półautomatyczny (zawory elektromagnetyczne sterowane ręcznie) lub automatyczny(np. termostaty) b)szeregowe umieszczenie płytowego skraplacza wodnego(wymiennika): upraszcza sterowanie odzyskiem(praca układu moŝliwa niemal bez Ŝadnej automatyki) naleŝy zastosować odpowiednio duŝy zbiornik czynnika chłodniczego(w sezonie grzewczym skraplacz powietrzny jest zalany ciekłym czynnikiem w sezonie letnim czynnik ciekły ze skraplacza powietrznego musi zmieścić się w zbiorniku) występują straty oporu przepływu parowego czynnika chłodniczego przez wymiennik do odzysku ciepła w okresie poza sezonem grzewczym c)brak stosowania skraplacza powietrznego: znaczne obniŝenie kosztów urządzenia chłodniczego(brak drogiego skraplacza powietrznego znaczne uproszczenie instalacji) stosowany tylko wtedy gdy mamy stuprocentową pewność, Ŝe zapotrzebowanie na ciepło z odzysku będzie występowało stale niebezpieczeństwo, Ŝe urządzenie chłodnicze nie będzie mogło pracować, jeŝeli odbiór ciepła ustanie lub nawet zostanie ograniczony stosowane tam gdzie, wartość ciepła odzyskiwanego z urządzenia chłodniczego jest znacznie niŝsza od zapotrzebowania na nie i występuje ciągła konieczność uŝywania dodatkowych źródeł ciepła.
Ograniczenie podczas całkowitego odzysku ciepła skraplania Ograniczeniem tym jest fakt ze maksymalna temperatura,do której moŝna podgrzać wodę czasami nie jest dostatecznie wysoka. Jej wartość moŝe się tylko zbliŝać lub bardzo nieznacznie przekroczyć wartość temperatury skraplania(rys.4). Pełny odzysk ciepła skraplania jest moŝliwy przy ograniczeniu temper. wody do ok. 45-50 C. Temperatura ta wystarczy dla układów ogrzewania niskotemperaturowego(np. podłogowego). W innych przypadkach wymagane jest dogrzewania wody po wyjściu ze skraplacza do odzysku ciepła. Jest to jednak i tak opłacalne, gdyŝ znaczna część ciepła pochodzi z odzysku. Częściowy odzysk ciepła w obszarze pary przegrzanej rys4. NajwyŜszą opłacalność i najmniejsze nakłady inwestycyjne uzyskuje się wtedy gdy zapotrzebowanie na ciepło moŝna zapewnić wykorzystując tylko ciepło przegrzania gorących par czynnika chłodniczego. W metodzie tej stosuje się desuperheatory, w których nie występuje ograniczenie maksymalnej temperatury wody po podgrzaniu. Maksymalna temperatura jest tylko nieco niŝsza od temperatury na wlocie czynnika chłodniczego. Poprzez taki odzysk ciepła moŝna uzyskiwać temperaturę wody rzędu 80 C(dla czynnika R22) lub nieco niŝsze (dla czynnika R404a, R407c).Takie wysokie temperatury wody moŝna uzyskiwać podczas pracy przy niskiej temperaturze skraplania. Wydajność chłodnicza jest wtedy wyŝsza a urządzenie zuŝywa mniej energii. Desuperheatery są to wymienniki płytowe, które odbierają ciepło jedynie w obszarze pary przegrzanej, pozostawiając sam proces skraplania skraplaczowi właściwemu. Odzyskowi podlega jedynie ciepło przegrzania, więc za desuperheatorem naleŝy umieścić drugi wymiennik który będzie spełniał funkcje skraplacza(np. skraplacz powietrzny) (rys.5). Desuperheater równieŝ moŝna zastosować w połączeniu z płytowym skraplaczem wodnym, takŝe spełniający funkcje odzysku(rys.6). W takim połączeniu moŝna uzyskać np. dwa osobne strumienie ciepłej wody róŝniące się temperaturą.
rys.5)umieszczenie desuperheatera rys.6) Połączenie desuperheatera z płytowym skraplaczem wodnym. Wadą desuperheatera jest ograniczenie ilości ciepła odzyskiwanego do 15-20% wartości całkowitego ciepła skraplania. Wiec stosuje je się w urządzeniach o średniej i wyŝszej wydajności. Sposoby magazynowania odzyskiwanego ciepła skraplania: Pobór ciepłej wody nie jest ciągły, zazwyczaj potrzebujemy ją w jakiejś określonej porze, w takim przypadku naleŝy stosować zbiorniki do magazynowania nadmiaru ciepłej wody(tzw. zbiorniki buforowe), co pozwala pobieranie ciepłej wody wtedy gdy zachodzi taka potrzeba. Zbiorniki wody uŝytkowej zazwyczaj produkowane są w kilku wykonaniach: podgrzewacze wody uŝytkowej z przyłączami kołnierzowymi do zainstalowania kilku wymienników odbierających ciepło skraplania; podgrzewacz wody z wbudowanym wymiennikiem ciepła zbiorniki wody uŝytkowej bez wbudowanych wymienników ciepła, przystosowane do podłączenia wymienników zewnętrznych
Sposoby wykorzystania ciepła odpadowego: Odpadowe ciepło skraplania w urządzeniach chłodniczym moŝemy wykorzystać na bardzo wiele sposobów: Do najczęściej spotykanych naleŝą: ogrzewanie wody w układach ogrzewania pomieszczeń, ogrzewanie wody do celów uŝytkowych (np. do mycia) ogrzewanie wody do celów technologicznych (np. wykorzystywanej w piekarniach) ogrzewanie mieszanek glikolowych do układów zabezpieczających podłogi chłodni przed przemarzaniem. Wpływ odzysku ciepła na działanie urządzenia chłodniczego. Aby zobrazować wpływ zmiany warunków pracy skraplacza na działanie urządzenia chłodniczego w analizie najpierw zostanie oceniona ilość ciepła, jakie moŝna uzyskać wykorzystując ciepło skraplania i ciepło przegrzania gorących par czynnika chłodniczego dla warunków nominalnych pracy urządzenia chłodniczego. Następnie analiza będzie dotyczyła skutków, jakie powoduje zmiana nominalnej temperatury skraplania o 15K. Do analizy przyjęto następujące dane: Czynnik dla którego przeprowadzono analizę: R134a. Analiza dotyczy podgrzania wody od temperatury 10 0 C do 55 0 C.
Przyjęto wskaźnik strat na poziomie 20%. Tak więc uŝyteczna wydajność grzewcza wyniesie: Stosunek ciepła przegrzania do skraplania wynosi: Wydajność grzewcza procesu skraplania: Wydajność grzewcza przegrzania: Podgrzanie wody zachodzić bezie w dwóch etapach. Pierwszy etap, to podgrzanie wody od temperatury 10 0 C do temperatury 40 0 C, wykorzystując wydajność grzewcza procesu skraplania. Drugi etap, to podgrzanie wody od temperatury 40 0 C do 50 0 C. Tak więc w pierwszym etapie otrzymamy następującą ilość podgrzanej wody: W drugim etapie: Zatem w ciągu godziny otrzymamy 1948l wody o temperaturze 500C. Aby uzyskać taka ilość wody urządzenie musi pracować: Przyjmując Ŝe spręŝarka będzie pracować 16 godzin dziennie, w tym czasie moŝna uzyskać:
Podniesienie temperatury skraplania o 15K ma na celu osiągnięcie wyŝszej temperatury końcowej podgrzewanej wody uŝytkowej lub uzyskanie korzyści z lepszego wykorzystania ciepła przegrzania czynnika w odniesieniu do ciepła skraplania. W celu wyznaczenia ilości ciepłej wody uŝytkowej załoŝono te same warunki i zasady dla temperatury skraplania 40 0 C, jaki i dla 55 0 C. PodwyŜszenie temperatury skraplania wpływa niekorzystnie na charakterystyczne wielkości obiegu chłodniczego. Samo podwyŝszenie tk bez zmiany wydajności objętościowej spręŝarki, powoduje duŝy spadek jej wydajności chłodniczej w granicach 25%. Ponadto, wzrasta zuŝycie energii przez spręŝarkę od 3% do 18%. Współczynnik wydajności chłodniczej teŝ maleje o ok. 30%. Jedyną zaletą takiej zmiany moŝe być to, Ŝe wzrasta ciepło przegrzania dzięki któremu moglibyśmy uzyskać więcej ciepła z przegrzewu czynnika chłodniczego oraz wyŝsza temperaturę końcową ciepłej wody uŝytkowej. Skutkiem ubocznym moŝe być mniejsza Ŝywotność spręŝarki chłodniczej w wyniku pracy przy podwyŝszonych parametrach.
Aby urządzenie miało pracować z taka samą wydajnością chłodniczą, wówczas naleŝałoby zwiększyć objętość spręŝarki. Zmianie ulegną następujące wielkości charakterystyczne: -wydajność objętościowa spręŝarki doskonałej -rzeczywista wydajność masowa -teoretyczne zapotrzebowanie mocy napędowej -wydajność cieplna skraplacza Porównanie obliczeń podstawowych wielkości charakteryzujących analizowany obieg chłodniczy dla czynnika R 134a Porównanie obliczeń ilości ciepła i ilości ciepłej wody, jakie moŝna uzyskać z analizowanego urządzenia chłodniczego dla czynnika R 134a. PodwyŜszenie temperatury skraplania przy zachowaniu stałej wydajności chłodniczej urządzenia powoduje wzrost wydajności objętościowej spręŝarki o ok. 33%, co wpływa na zwiększenie mocy napędowej średnio o 45%. Taki wzrost wydajności spręŝarki powoduje niewielkie zwiększenie wydajności cieplnej skraplacza o ok. 10%. Utrzymanie wydajności chłodniczej na stałym poziomie powoduje wzrost ilości uzyskiwanej ciepłej wody uŝytkowej.
Zmiany charakterystycznych wielkości obiegu chłodniczego w wyniku zmiany temperatury skraplania. Skutki zmiany temperatury skraplania na ilość uzyskiwanej ciepłej wody uŝytkowej. Aby podjąć decyzję dotycząca podwyŝszenia temperatury skraplania w urządzenie, konieczne jest przeprowadzenie analizy wszystkich parametrów jego pracy i stwierdzenie, czy mimo niekorzystnych warunków działania urządzenia, celowe będzie podwyŝszenie tk po to,aby końcowa temperatura wody nie wymagała dalszego podgrzewania. Przedstawiona wyŝej analiza pozwala stwierdzić Ŝe podwyŝszenie temperatury skraplania powoduje: -wzrost poboru mocy napędowej spręŝarki
-spadek wydajności chłodniczej urządzenia przy stałej wydajności objętościowej spręŝarki -spadek wydajności cieplnej skraplacza przy stałej wydajności objętościowej spręŝarki -wzrost wydajności cieplnej skraplacza przy zachowaniu stałej wydajności chłodniczej urządzenia -wzrost temperatury końca spręŝania Wynika stąd, Ŝe aby uzyskać ciepłą wodę za darmo, naleŝy wykorzystywać ciepło skraplania przy nominalnych parametrach urządzenia chłodniczego. Bibliografia: Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna