Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Wyznaczanie sprawności pompy ciepła w funkcji właściwości Ćwiczenie nr 7 Laboratorium z przedmiotu: Alternatywne źródła energii Kod:ŚC3066 Opracowała: mgr inż. Anna Werner-Juszczuk luty 2016
1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest wyznaczenie sprawności pompy ciepła w funkcji temperatury parowania i kondensacji, przy uwzględnieniu właściwości, zapoznanie się z wyznaczaniem obiegu chłodniczego pompy ciepła oraz porównanie obiegu rzeczywistego pompy ciepła z obiegiem teoretycznym. 2. Podstawy teoretyczne 2.1.Pompa ciepła Pompą ciepła określa się maszynę cieplną, która odbiera ciepło Q d ze źródła o temperaturze niższej T d (źródło dolne) i przekazuje go (Q g ) do źródła o temperaturze wyższej T g (źródło górne), kosztem doprowadzanej pracy zewnętrznej W (tzw. proces podnoszenia potencjału cieplnego). Rys. 1. Schemat działania silnika cieplnego, pompy ciepła oraz chłodziarki [1] W praktyce najczęściej stosowane są sprężarkowe pompy ciepła, których schemat ideowy przedstawiono na rysunku 3, realizujące termodynamiczny obieg Lindego (tzw. obieg sprężania pary). 2
Rys. 2. Wykres p-h Rys. 3. Schemat ideowy sprężarkowej pompy ciepła. S skraplacz, Sp sprężarka, P parownik, ZR zawór rozprężny Rys. 4. Obieg Lindego w układach T s, p h 3
Symbole 1, 2, 3, 4, na rysunkach 3 i 4 oznaczają poszczególne stany czynnika roboczego, realizującego obieg termodynamiczny, na który składają się następujące procesy, realizowane w elementach chłodziarki: 1 2 izentropowe sprężanie od pary nasyconej do pary przegrzanej (przemiana adiabatyczna odwracalna), 2 2 chłodzenie izobaryczne pary, 2 3 skraplanie izotermiczno-izobaryczne, przejście do stanu cieczy nasyconej, (procesy 2-2 oraz 2-3 są to wewnętrzne odwracalne przemiany, w których ciepło jest oddawane w skraplaczu) 3 4 dławienie w zaworze rozprężnym (rozprężanie izentalpowe), do momentu, gdy P 4 =P 1 przy h 4 =h 3, 4 1 wewnętrzna odwracalna przemiana przy stałym ciśnieniu i temperaturze (parowanie izotermiczno-izobaryczne), w której ciepło jest pobierane w parowniku, przejście ze stanu mieszaniny cieczy z parą do stanu pary nasyconej. Jak widać na obu wykresach, cały proces 4 1 oraz znaczna większość procesu 2 3 zachodzi przy stałej temperaturze. Cykl przedstawiony na wykresach (Rys.4) jest cyklem teoretycznym, w związku z czym punkt 1 znajduje się na krzywej pary nasyconej, a punkt 3 znajduje się na krzywej cieczy nasyconej. W odróżnieniu do innych cykli teoretycznych, cykl sprężania pary posiada zarówno odwracalne jak i nieodwracalne procesy tj. dławienie. Na podstawie wykresu p-h można określić następujące zmiany energii w poszczególnych procesach: 1 2 W 1 2 h 2 h 1 0 2 3 Q 2 3 h 2 h 3 0 3 4 h3 h4 4 1 Q 4 1 h 1 h 4 0 gdzie: W 1 2 praca wykonana na systemie, w celu przejścia ze stanu 1 do stanu 2, Q 2 3 ciepło oddane do źródła górnego (ciepło wymieniane w skraplaczu), Q 4 1 - ciepło zaabsorbowane od źródła dolnego (ciepło wymieniane w parowniku). W sprężarce (proces 1 2) oraz podczas procesu dławienia (proces 3 4), nie następuje wymiana ciepła, jedynie w procesie sprężania (1 2) następuje dostarczenie pracy do układu. 2.2. Sprawność pompy ciepła Energetyczny bilans cieplny pompy ciepła można zapisać w postaci: Q Q W (1) 0 gdzie: Q ilość ciepła oddawana w skraplaczu, Q 0 ilość ciepła pobranego w parowniku, W praca dostarczona do sprężarki. Parametrem charakteryzującym wydajność cieplną pompy ciepła jest sprawność energetyczna obiegu grzejnego, którą wyraża się stosunkiem bezwzględnej wartości ciepła 4
odprowadzanego od czynnika wykonującego obieg w skraplaczu do bezwzględnej wartości pracy zewnętrznej obiegu: Q W Q W Q W W 0 0 q = 1 (2) W oparciu o wykres obiegu sprężarkowej pompy ciepła p-h, sprawność energetyczna obiegu grzejnego może być zapisana w postaci: h h 2 3 c h2 h (3) 1 gdzie h entalpia właściwa w węzłowych punktach obiegu. 2.3.Obieg rzeczywisty Wykresy na rys. 3 przedstawiają teoretyczny obieg pompy ciepła.w rzeczywistości, w trakcie realizacji obiegu przez czynnik roboczy, występują straty ciśnienia spowodowane oporem przepływu czynnika przez wymienniki i przewody oraz straty ciepła do otoczenia. W obiegu rzeczywistym sprężanie pary nie jest przemianą izentropową i towarzyszy mu zmiana entropii. Dławienie cieczy w zaworze rozprężnym nie jest izentalpowe.wszystkie wymienione czynniki powodują, że rzeczywista wydajność ciepła pompy ciepła będzie mniejsza od wydajności obiegu teoretycznego, i można ja zapisać w postaci: c rz qq = ww (4) gdzie: q ilość ciepła uzyskanego w skraplaczu odniesiona do 1 kg czynnika krążącego w obiegu, w praca dostarczona do sprężarki odniesiona do 1 kg czynnika krążącego w obiegu, q - przyrost wydajności grzejnej spowodowany nieodwracalnością przemian, w - przyrost właściwej pracy sprężania spowodowany stratami w sprężarce. Na zwiększenie pracy dostarczonej do sprężarki wpływ mają straty energetyczne związane z nieodwracalnością procesu wymiany ciepła w parowaczu, dławieniem czynnika w zaworze rozprężnym oraz straty wywołane oporem przepływu, głównie w przewodzie ssawnym. Straty te nie powodują zwiększenia wydajności cieplnej obiegu. Pozostałe straty występujące w obiegu pompy ciepła zwiększają jej wydajność. Zależność pomiędzy rzeczywistym a teoretycznym współczynnikiem wydajności cieplnej pompy ciepła ma postać: = (5) c rz d c gdzie d oznacza stopień doskonałości rzeczywistego obiegu pompy ciepła, którego wartość wynosid 0,5 0,6. Na wartość rzeczywistego współczynnika wydajności cieplnej ma wpływ różnica temperatur źródła dolnego i górnego oraz parametry realizującego obieg. 5
Rys. 5. Zależność COP od temperatury skraplania czynnika chłodniczego 2.4.Czynnik roboczy Rys. 6. Zależność COP od temperatury parowania czynnika chłodniczego Czynnik roboczy jest to czynnik termodynamiczny krążący w obiegu pompy ciepła, który pośredniczy w przekazywaniu ciepła z ośrodka o niższej do ośrodka o wyższej temperaturze. Rodzaj zastosowanego ma wpływ na wydajność cieplną pompy oraz na jej konstrukcję. Najczęściej jako czynniki robocze wykorzystywane są czynniki chłodnicze, które powinny spełniać następującewymagania: stabilność chemiczna przy zmiennych wartościach temperatury, chemiczna obojętność w stosunku do materiałów pompy ciepła, z którymi ma kontakt, niepalność, nietoksyczność, niewybuchowość, obojętność dla środowiska, 6
możliwie niskie ciśnienie skraplania, duża objętościowa wydajność grzejna. Przydatność do wykorzystania w pompach ciepła jest określana za pomocą następujących kryteriów: współczynnik wydajności grzejnej COP, wartości i zakresy ciśnienia nasycenia, stopień sprężania, objętościowa wydajność grzejna, wpływ na środowisko. Wpływ czynnika chłodniczego na środowisko jest określany za pomocą trzech współczynników: ODP (OzoneDepletionPotential) - potencjał niszczenia ozonu odniesiony do freonu R11, dla którego ODP=1, GWP (Global Warming Potential) - potencjał tworzenia efektu cieplarnianego odniesiony do freonu R11, dla którego GWP=1, TEWI (Total Equivalent Warming Impact) - całkowity równoważnik efektu cieplarnianego uwzględniający m.in.: wskaźnik GWP, ilość czynnika w układzie, średnią emisję CO 2 w procesie produkcji energii elektrycznej, żywotność czynnika w atmosferze. W rzeczywistości nie ma związku, który spełnia wszystkie wymagania i jest możliwy do wykorzystania we wszystkich rozwiązaniach konstrukcyjnych pomp ciepła. Na początku rozwoju systemów chłodniczych jako czynniki chłodnicze były wykorzystywane takie związki chemiczne jak dwutlenek siarki, amoniak czy etyl. Od lat 30- ych XX wieku rozpoczęto wykorzystywanie związków CFC (freony), z których najważniejsze to R-11, R-12, R-22 oraz R-502. Pod koniec lat 80tych odkryto negatywny wpływ freonu na środowisko, w związku z czym w części krajów zakazano wykorzystywania tych związków.w latach 90-tych odkryto nowe czynniki chłodnicze, takie jak HFC. Obecnie najczęściej stosowane w pompach ciepła są czynniki R134a, R404A, R407C, R410A, R290. Na stanowisku laboratoryjnym jako czynnik roboczy wykorzystano R134a, który jest bezchlorowym czynnikiem chłodniczym z grupy HFC (ODP=0). 7
3. Metodyka badań 3.1.Budowa stanowiska 2 3 1 Rys. 7. Główne elementy stanowiska badawczego:1 pompa ciepła z wymiennikami typu woda woda, powietrze woda, powietrze powietrze, woda powietrze, 2 jednostka sterująca, 3 komputer 1 sprężarka 7 - zawór czterodrogowy AVS-1 2 skraplacz powietrzny 8 zbiornik akumulujący czynnik chłodniczy 3 skraplacz wodny 9 filtr 4 parownik powietrzny 10 separator cieczy 5 parownik wodny 11 zawór bezpieczeństwa 6 - zawór rozprężny AVEX-1 Rys. 8. Schemat pompy ciepła 8
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 manometr na wyjściu ze sprężarki M-3 manometr za zaworem rozprężnym M-2 manometr na wyjściu ze skraplacza M-4 manometr na wejściu do sprężarki 2) Pomiar przepływu SC-1 SC-2 SC-3 czujnik przepływu czynnika chłodniczego czujnik przepływu wody przez skraplacz wodny czujnik przepływu wody przez parownik wodny 3) Pomiar temperatury ST-1 ST-2 ST-3 ST-4 ST-5 ST-6 ST-7 ST-8 ST-9 ST-10 temperatura czynnika chłodniczego na wyjściu ze sprężarki temperatura czynnika chłodniczego na wyjściu ze skraplacza temperatura czynnika chłodniczego na wejściu do parownika temperatura czynnika chłodniczego na wejściu do sprężarki temperatura wody na wejściu do skraplacza wodnego i parownika wodnego temperatura wody na wyjściu ze skraplacza wodnego temperatura wody na wyjściu z parownika wodnego temperatura powietrza w pomieszczeniu (temperatura na wejściu do parownika powietrznego i skraplacza powietrznego) temperatura powietrza na wyjściu ze skraplacza powietrznego temperatura powietrza na wyjściu z parownika powietrznego 4) Zawory regulacyjne AEAI-1 ACAI-1 zawór na wejściu do parownika powietrznego służący do regulacji strumienia powietrza przez parownik (pokrętło na panelu roboczym w aplikacji komputerowej) zawór na wejściu do skraplacza powietrznego służący do regulacji strumienia powietrza przepływającego przez skraplacz (pokrętło na panelu roboczym w aplikacji komputerowej) AEWI-1 ACWI-1 zawór do regulacji przepływu wody przez parownik wodny zawór do regulacji przepływu wody przez skraplacz wodny 9
AVS-3 AVS-4 AVS-5 AVS-6 zawór do wyboru powietrza jako dolne źródło ciepła (wybór parownika powietrznego) 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 powietrza jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza powietrznego) 3.3. Metodyka 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 jednostkę sterującą. 4) Uruchomić aplikację komputerową (przycisk START na panelu roboczym). 5) Za pomocą zaworu AEWI-1 ustawić przepływ wody przez parownik na poziomie zadanym przez prowadzącego. 6) Za pomocą zaworu ACWI-1 ustawić przepływ wody przez skraplacz na poziomie zadanym przez prowadzącego. 7) Uruchomić sprężarkę wciskając na panelu roboczym przycisk COM. 8) Odczekać, aż układ się ustabilizuje dokonując co 3 minuty odczytu wartości określonych w tabeli 1. 9) Po ustabilizowaniu się układu odczytać wskazania określone w tabeli 2. 10) Utrzymując stały przepływ przez parownik wodny, zredukować przepływ wody przez skraplacz o wartość wskazaną przez prowadzącego. 11) Odczekać, aż system się ustabilizuje. 12) Powtórzyć czynności 4czterokrotnie. 13) Wyniki zapisać w tabeli 2. 14) Po zakończeniu odczytów wyłączyć sprężarkę. Uwaga Jeżeli temperatura źródła wody jest zbyt niska, woda może zamarznąć w wężownicy. Nie spowoduje to uszkodzeń, lecz przepływ wody się zatrzyma i nie będzie możliwości kontrolowania temperatury ST-3. 10
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów t 1 2 3 4 t t t ST-5 ST-6 ST-5 ST-6 ST-5 ST-6 ST-5 ST-6 gdzie: t czas pomiaru Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów Jednostka 1 2 3 4 Energia zużyta przez sprężarkę [ ] Przepływ czynnika chłodniczego SC-1 [ ] Przepływ wody przez skraplacz SC-2 [ ] Przepływ wody przez parownik SC-3 [ ] Ciśnienie czynnika chłodniczego za sprężarką SP-1 [ ] Ciśnienie czynnika chłodniczego przed sprężarką SP-2 [ ] Ciśnienie czynnika chłodniczego za skraplaczem M-2 [ ] Temperatura czynnika chłodniczego za sprężarką ST-1 [ ] Temperatura czynnika chłodniczego za skraplaczem ST-2 [ ] Temperatura czynnika chłodniczego przed parownikiem [ ] ST-3 Temperatura czynnika chłodniczego przed sprężarką ST-4 [ ] Temperatura wody na wejściu do parownika i skraplacza [ ] ST-5 Temperatura wody na wyjściu ze skraplacza [ ] ST-6 Temperatura wody na wyjściu z parownika ST-7 [ ] Imię i nazwisko studenta: Data wykonania ćwiczenia: 3.4. Analiza wyników badań Założenia do ćwiczenia: - proces 3-4 jest procesem izentalpowym, w związku z czym h 3 =h 4. 1) Na wykresie (załącznik 1)zaznaczyć wartości uzyskane podczas ćwiczenia (dla każdej próby osobno): punkt 1 przecięcie krzywych o wartości SP-2 i ST-4 (wartość h 1 ), punkt 2 przecięcie krzywych o wartości SP-1 oraz ST-1 (wartość h 2 ), punkt 3 przecięcie M-2 i ST-2 (wartość h 3 ), punkt 4 przecięcie ST-3 i h 3 =h 4. Po oznaczeniu punktów należy je połączyć. 2) Z wykresu odczytać wartości entalpii h 1, h 2,h 3, h 4 i zapisać w tabeli 3. 11
3) Obliczyć COP 1 dla obiegu rzeczywistego uwzględniając ilość ciepła produkowanego podczas skraplania się czynnika chłodniczego w poszczególnych próbach (h 2 -h 3 ) oraz pracędostarczoną do systemu (h 2 -h 1 ). h h 2 3 COP1 h 2 h 1 (6) 4) Obliczyć COP 2 uwzględniając ilość ciepła przekazywanego czynnikowi grzewczemu (wodzie) w skraplaczu w poszczególnych próbach. gdzie: W moc napędowa sprężarki, J/s, Q - moc grzewcza pompy ciepła: Q COP2 (6) W Q m c T T C p 2 1 J s (8) gdzie: m C - przepływ masowy wody przez skraplacz, kg/s, J c p - ciepło właściwe wody 4180 kg K, T - temperatura wody na wejściu do skraplacza, C, 1 T - temperatura wody na wyjściu ze skraplacza, C. 2 Uwaga: Przepływ objętościowy należy przeliczyć na przepływ masowy. Przyjąć gęstość wody na wyjściu ze skraplacza. 5) Wyniki obliczeń zestawić w tabeli 4. 6) Tabela 3. Wartość entalpii właściwej w węzłowych punktach obiegu w poszczególnych próbach Jednostka 1 2 3 4 h 1 kj/kg h 2 kj/kg h 3 = h 4 kj/kg Tabela 4. Zestawienie współczynników COP Jednostka 1 2 3 4 Temperatura parowania czynnika chłodniczego C T evap (ST-3) Temperatura kondensacji czynnika chłodniczego C T cond (ST-2) COP 1 - COP 2-12
7) Na podstawie wyników sporządzić wykresy: zależności pomiędzy wskaźnikami efektywności pompy ciepła COP 1, COP 2 (oś Y) a temperaturą skraplania (oś X) (w jednym układzie współrzędnych), zależności pomiędzy wskaźnikami efektywności pompy ciepła COP 1, COP 2 (oś Y) a temperaturą parowania (oś X)(w jednym układzie współrzędnych). 3.5.Wnioski 1) Porównać wartości COP 1, COP 2. 2) Co jest przyczyną różnic pomiędzy wartościami wskaźników COP 1, COP 2. 3) Opisać zależność pomiędzy COP 1, COP 2 za temperaturą skraplania. 4) Opisać zależność pomiędzy COP 1, COP 2 a temperaturą parowania. 5) Wskazać różnice pomiędzy teoretycznym (Rys.4) i rzeczywistym obiegiem pompy ciepła.opisać, czym spowodowane są różnice. 4. Wymagania BHP Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboratorium. W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego. Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia. Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych bez polecenia prowadzącego. 5. Literatura 1) Rubik M.: Pompy ciepła: poradnik. Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie", Warszawa, 2006 2) Rubik M.: Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej : monografia. MULTICO Warszawa, 2011 3) Oszczak W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła. Wydaw. Komunikacji i Łączności Warszawa, 2011 4) Zawadzki M.: Kolektory słoneczne, pompy ciepła - na tak. Polska Ekologia, Warszawa, 2003 5) PN-EN 14825:2012 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła, ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do ogrzewania i chłodzenia - Badanie i charakterystyki przy częściowym obciążeniu 6) PN-EN 14511:2012 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia 13
Wykres p-h czynnika chłodniczego R-134a Załącznik 1 14
15