UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ SPOŁECZNY Alternatywne Źródła Energii Przegląd pomp ciepła Lewandowski Witold Wykłady współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach EFS, UDA-POKL 04.01.02.-00-137/11-00 „Absolwent Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej – inżynier z przyszłością”. Pompa ciepła sama nie jest źródłem energii, umożliwia natomiast konwersję niskotemperaturowej energii promieniowania słonecznego, gromadzonej w gruncie, powietrzu lub w wodzie, w energię użyteczną cwu lub co w budynkach. Historia pomp ciepła 1852 r. - W. Thomson (lord Kelwin) opracował teorię i zasadę działania pompy ciepła. 1898 r. - w Balsbergu w Niemczech powstała pierwsza pompa. 1914 r. - w Szwajcarii pompą zatężano roztwór NaOH w farbiarni. William Thomson Lord Kelvin 1824-1907 1928 r. – T.G.N. Haldane pompą ogrzewał dom. 1938 r. - w Zurichu pompą ciepła ogrzewano ratusz. 1941 r. - w Zurichu pompę ciepła ogrzewano Politechnikę. Pompa – urządzeniem cieplnym W ujęciu termodynamicznym praca typowych pomp ciepła, na tle poziomów energetycznych, wyrażonych temperaturami dolnego i górnego źródła ciepła oraz otoczenia jest zbliżono do pracy chłodziarki i silnika. Podział pomp ciepła − sprężarkowa z czynnikiem jednoskładnikowym, − sprężarkowa z czynnikiem dwuskładnikowym, − absorpcyjna, − absorpcyjny transformator ciepła, − resorpcyjna napędzana energią mechaniczną, − resorpcyjna wykorzystująca sprężanie oparów, − sprężarkowa z obiegiem gazowym, − sprężarkowa z otwartym obiegiem powietrznym, − chemiczny transformator ciepła, − wykorzystująca efekt Ranque'a, − wykorzystująca efekt elektrodyfuzji, − termoelektryczna, magnetyczna i inne. Budowa i zasada działania sprężarkowej pompy ciepła Współczynnik efektywności pompy ciepła Efektywność pierwszych pomp ciepła była niewielka i wynosiła ok. 2. Współczesne sprężarkowe pompy ciepła mają współczynnik efektywności znacznie wyższy np.: e = 5,6 dla td = 10oC i tg = 35oC, a pompa w oczyszczalni ścieków w Łodzi nawet e = 6,4. Pompa ciepła sprężarkowa z czynnikiem jednoskładnikowym skraplacz Qg 2 3 4 1 Qd parownik Schemat Para czynnika 1 sprężana jest od stanu 1 do 2 wpływa do skraplacza, gdzie kondensuje przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W tym górnym źródle ciepła wydziela się wysokotemperaturowe ciepło Qg. Ciecz 3, po rozprężeniu w zaworze, jako mieszanina dwufazowa 4, wpływa do parownika i w warunkach p, T = const. pobiera niskotemperaturowe ciepło Qd parując 1. Termodynamiczne przemiany zachodzące w tej pompie, przedstawione na rysunku w układzie T, s, są teoretycznym obiegiem Lindego. Punkt K określa punkt krytyczny. T K 2 3 4 1 s Pompa ciepła sprężarkowa z czynnikiem dwuskładnikowym Pary czynnika 1, po sprężeniu 2, ulegają schłodzeniu do pojawienia się pierwszych kropel, stan 2'. Kondensacja mieszaniny 2* trwa aż do zaniku ostatnich pęcherzy pary 3'. Skroplona ciecz 3, po rozprężeniu w zaworze, w postaci pary i cieczy 4 wpływa do parownika, gdzie zamienia się w parę 1. 3' skraplacz 3 2* 2 2' 4 1 parownik Obieg ten (rys. górny) i jest bliższy idealnemu obiegowi Lorenza (rys. dolny) i w związku z tym jest bardziej sprawny niż obieg Lindego z poprzedniej pompy. K T 2 2* 3 pg 4 pd 1 s T 3 2 4 1 s Czynniki pomp sprężarkowych Najczęściej są to freony, które zgodnie z zaleceniami ISO mają następujące skróty nazw: CFC − chlorofluorowęglowodory (chlorofluorocarbons); pod skrótem tym kryją się węglowodory, w których wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami chloru i fluoru. HCFC − wodorochlorofluorowęglowodory (hydrochlorofluorocarbons); jest to grupa węglowodorów, w których część atomów wodoru została podstawiona atomami chloru i fluoru. HFC − hydrofluorowęglowodory (hydrofluorocarbons); są to węglowodory zawierające tylko atomy wodoru i fluoru. Oznaczenia freonów Zgodnie z obowiązującą normą DIN 8962, związki CFC, HCFC i HFC oznacza się kodem literowo−cyfrowym, gdzie: − pierwsza litera (R) oznacza czynnik chłodniczy, − pierwsza cyfra od prawej określa liczbę atomów fluoru, − druga cyfra od prawej oznacza: liczbę atomów wodoru + 1, − trzecia cyfra od prawej określa: liczbę atomów węgla – 1, − litera (B) i cyfra oznaczają brom i liczbę jego atomów, − liczbę atomów chloru jest resztą i można ją wyliczyć. Przykładowo R12 ma: 2 atomy F, 1 − 1 = 0 atomów H, 0+1=1 atomów C, Br nie ma, więc liczba atomów chloru wynosi 4−2−0 = 2, co odpowiada wzorowi CF2Cl2. R22 odpowiada wzór chemiczny CHF2Cl. Absorpcyjne pompy ciepła W pompach absorpcyjnych kompresja czynnika odbywa się termicznie. W układzie przepływają dwa czynniki nisko- i wysokoprężny (np.: NH3–H2O, LiBr – H2O, LiBr – MetOH...) Są w nich po dwa dolne i górne źródła ciepła: desorber NH3 I dźc, skraplacz II gźc, parownik II dźc, a absorber NH3 jest I gźc. 7 NH3g skraplacz 3 NH3c 2 6' 8 H2Oc 4 NH3g+c Qd desorber Qg Qdes 6 (NH3+H2O)c+g 1 NH3g 9 H2O c+g parownik absorber Qab P pompa 5‘, 6’ mieszaniny dwufazowe i dwusładnikowe 5 ciekła mieszanina (roztwór bogaty) 8 ciekły sorbent (roztwór ubogi) 5' 5 (NH3+H2O)c 6, 9 mieszaniny pary i cieczy Stany termodynamiczne pompy absorpcyjnej Wyidealizowane stany czynnika w układzie T, s po karnotyzacji rozkładają się na dwa obiegi: obieg silnika cieplnego (5, 6, 7, 8), w którym ciepło zamieniane jest w pracę i obieg pompy właściwej (1, 2, 3, 4), w której zachodzi sprężanie i przepływ czynnika. Termodynamiczne obiegi w absorpcyjnej pompie ciepła, ale w układzie p, T mają postać: p Skraplacz Desorber Wymiennik pot Parownik Absorber T Przykłady absorpcyjnych pomp ciepła Prototyp pompy 13 kW Absorpcyjna pompa klimatyzatora Absorpcyjna pompa w Z.G.Mszczonów Pompa LiBr-H2O, 100 kW Pompa LiBr-H2O Absorpcyjny transformator ciepła 2’(NH3+H2O)g+c absorber Qpa parownik Qg 3(NH3+H2O)c 8(NH3)g 7 2(H2O)c+g pompa 6(NH3)c desorber 4 P P 9(H2O)c skraplacz Qd 4’(NH3+H2O)c+g 1(NH3)g Qsk 5 Sprężona para 1 z desorbera (dźc obiegu właściwego) ulega schłodzeniu 5, a następnie kondensacji 6 w skraplaczu (gźc silnika cieplnego). W parowniku (dźc silnika cieplnego) kondensat 7 ogrzewa się, odparowuje 8 i wpływa do absorbera (gźc obiegu właściwego) 2‘. Stąd bo- gata mieszanina 3 poprzez wymiennik wpływa do desorbera 4, tam tworzy się 4', z którego wydzielają się pary NH3 1, wpływające do skraplacza, a ubogi roztwór 2 tłoczony jest do adsorbera itd. Stany termodynamiczne absorpcyjnego transformatora ciepła T Obieg właściwy p pompy ciepła 6 5 3 2 4 1 Parownik Absorber Wymiennik 7 8 pot Obieg silnika cieplnego Skraplacz s Desorber T Przemiany termodynamiczne zachodzące w absorpcyjnym transformatorze ciepła w układzie T, s i p, T Resorpcyjna pompa ciepła ze sprężarką mechaniczną Zmian stanu skupienia zachodzi na drodze desorpcji i resorpcji. Para czynnika 1 po sprężeniu 2 wpływa do absorbera, gdzie zachodzi absorpcja w roztworze ubogim 3'. Roztwór bogaty 3 przez wymiennik i zawór rozprężny wpływa do desorbera 4, gdzie jako dwuskładnikowa i dwufazowa mieszanina 4' ulega resorpcji na sorbent 5 i pary czynnika 1. 3' absorber Qre 3 5 P 4' 4 2 6 Qde 1 desorber Współczynnik efektywności tej pompy jest wyższy niż sprężarkowej, gdyż procesy desorpcji i resorpcji, w przeciwieństwie do kondensacji i wrzenia, nie zachodzą izotermicznie. Resorpcyjna pompa ciepła ze sprężaniem sorpcyjnym czynnika absorber 3 2' 6' desorber T obieg silnika cieplnego 6 7 7 Qre 6 Qde 5 4' 4 Qde P desorber 1 8 absorber 8' P Qab 5 8 3 2 obieg właści4 1 wy pompy s Z analizy schematów, obiegów tej pompy wynika, że jest to zmodyfikowana pompa resorpcyjna, w której realizowany jest właściwy obieg pompy (1, 2, 3, 4), w której do sprężania par czynnika zamiast sprężarki zastosowano silnik cieplny o termodynamicznym obiegu (5, 6, 7, 8). Pompa ciepła wykorzystująca sprężanie oparów 5 T 6 5 3 4 T K 7 8 P 2 1 8 4 3 2 strumienica W pompie tej sprężanie oparów powoduje podniesie ich entalpii. Wrzący roztwór jest dźc., a skraplające się opary gźc., które jed6 nocześnie podgrzewają wrzący roztwór. Czynnikiem roboczym są opary, najczęściej Qz Qd para wodna w tzw. otwartym obiegu pompy. 7 Qg skraplacz Różnica temperatur tego otwartego obiegu s jest niska, ok. 10 K, stąd duży współczynnik obieg silnika 6 7 efektywności tych pomp. Zamiast strumienicą, cieplnego napędzaną „żywą” parą opary mogą być 5 8 obieg 3 2 właściwy sprężane termicznie silnikiem cieplnym lub 4 1 pompy s mechanicznie sprężarką albo wentylatorem. 1 Chemiczna pompa ciepła Działanie pompy opiera się na połączeniu dwóch odwracalnych reakcji uwodornienia CaO i odwodnienia Ca(OH)2 z procesem parowania i skraplania czynnika – wody. W zależności od rodzaju energii wymuszającej ruch ciepła z dolnego do górnego źródła chemiczna pompa ciepła może być sprężarkowa, absorpcyjna, termoelektryczna itd. Reakcje chemiczne i procesy fizyczne zachodzące w tej pompie są następujące: CaO + H2O(g) → Ca(OH)2 + Q Reakcja egzotermiczna i odwodnienie: Ca(OH)2 + Q → CaO + H2O (g) Reakcja endotermiczna oraz: H2O (g) → H2O (c) + Q i H2O (c) + Q → H2O (g) Działanie chemicznej pompy ciepła Qd parownik wymiennik wymiennik Qd Qg skraplacz reaktor reaktor egzotermiczny Qg endotermiczny H22O O(g) (g) H Praca odbywa się w naprzemiennych cyklach, w których reaktor i jest albo endo- albo egzotermiczny, a wymiennik skraplaczem lub parownikiem. Zmianom tym odpowiadają cyklicznie zmiany Ca(OH)22O(g)Ca(OH) →CaO+H2O(g)2 H2O(g)H O(g)→H2O O(g+c) CaO+H (g+c) źródeł ciepła. Oprócz powyższej, w chemicznej pompie ciepła można wykorzystać inne odwracalne reakcje: CaCO3 CaO + CO2, 2SO3 2SO2 + 2O2, CO2 + CH4 2CO + 2H2, NH4HSO4 NH3 + SO3 + H2O, C6H12 C6H6 + 3H2 , 2NH3 N2 + 3H2 i inne. Chemiczny transformator ciepła Siłę napędową wymuszającą przepływy czynników jest reakcja egzotermiczna, która stanowi gźc. Reakcje endotermiczne zachodzą w wyniku doprowadzenia energii w dźc. Reakcją może być np.: endotermiczne odwodornienie 2 propanolu (ciecz) pod wpływem katalizatora I (proszek Ni) na gazowy aceton i wodór: (CH3)2CHOH → (CH3)2CO + H2 DH = 100.4 kJ/mol i egzotermiczne uwodornienie acetonu na gazowy 2-propanol przy katalizatorze II (Ni osadzony na węglu aktywnym): (CH3)2CO + H2 → (CH3)2CHOH DH = -55 kJ/mol Różnica efektu cieplnego reakcji i nie przeczy prawu Hessa i IZT, gdyż wartości entalpii dotyczą różnych stanów skupienia. Schemat chemicznego transformatora Qot wymiennik Qd reaktor endotermiczny Qg reaktor egzotermiczny skraplacz Do endotermicznego reaktora z kolumną rektyfikacyjną doprowadza się 2-PrOH oraz Qd, który podtrzymuje reakcję Qr, wrzenie oraz rozdział produktów (acetonu i H2) Qo. Z mieszaniny acetonu (Tw = 329.3 K) i 2-PrOH (Tw = 355.5 K) w kolumnie oddestylowuje aceton i H2. Ciekły aceton wraca ze skraplacza do reaktora, a gazo- wy aceton i H2 przez regeneracyjny wymiennik przepływają do reaktora egzotermicznego, gdzie powstaje 2-PrOH i wydziela się strumień ciepła Qg = Qr . Pompa wykorzystująca efekt Ranque‘a W 1931 r. G. Ranque zaobserwował różnicę temperatur strumienia powietrza płynącego w osi cyklonu i przy jego ściance. W 1945 R. Hilsch potwierdził eksperymentalnie i teoretycznie występowanie tego zjawiska. 5 2 1 3 4 T DTg 5 T5 T6 T1 T3 h=const T4 T2 h=const s 6 1 3 DTd Sprężony gaz o p1 i T1 wprowadzony do dyszy 1 rozpręża się izentropowo w otworze przesłony do ciśnienia p0. Rzeczywisty stan gazu określa punkt 2, ciepłego 5 (po rozprężeniu 6) (do 127oC) i zimnego p. 3 (do -46oC). 6 4 2 Efektywność tej pompy ciepła jest niska e =1.2, a dodatkową jej wadą jest hałas przepływającego w niej powietrza. Aplikacje http://www.astro.umontreal.ca/fantomm/ Description/compresseur.htm http://www.tricity.wsu.edu/htmls/ mme/me303/fall2001/hilsch.jpg http://www.physics.kee.hu/ranque.html Elektrodyfuzyjne pompy ciepła Elektrodyfuzja zachodzi w porowatym materiale przewodzącym prąd elektryczny (np. Beta- Aluminium- Solid- Electrolte BASE), na którym są adsorbowane pary Na(g) z parownika 1 Jony Na+ migrują i po rekombinacji mają wyższy potencjał elektrochemiczny (wyższe p i T) 2. Następnie pary Na(g) kondensują w skraplaczu 3 Na(c), rozprężają się w zaworze 4 i wpływają do parownika. T pracy jest znacznie wyższa niż innych pomp ciepła. K T 2 3 4 1 s Qg 2 e skraplacz 3 4 parownik Qd Eel Na+ zasilacz prądu e 1 Efektywność tych pomp, będąca Qg/Eel, wynosi e = 6.51, dla izentropowego sprężania h = 0.9 Termoelektryczne pompy ciepła Na sumaryczny efekt termoelektryczny pompy składają się trzy efekty: - Efekt Seebecka (1822) - zależność między różnicą temperatur a siłą termoelektryczną, - Efekt Peltiera (1834) jest odwrotny, gdyż przepływ prądu powoduje ruch ciepła. Thomas J.Seebeck (1770-1831) - Efekt Thompsona (1899) (generowanie ciepła w obwodzie w wyniku DT). William Thomson Lord Kelvin 1824 - 1907 A.F. Joffe (1929) zwielokrotnił działanie tych efektów, zastępując metale półprzewodnikami. Jean C.A.Peltier (1785 - 1845) Działanie pomp termoelektrycznych Cu górna n Cu n p dolna p Działanie termoelektrycznej pompy ciepła jest sumarycznym efektem trzech strumieni wewnętrznych strumieni ciepła: Qpe – Peltiera, Qj – Joule’a i Qp – Fouriera (przewodzenia): Cu Qg = Qd + ½Qj + E – Qp Qd Qg Qj Qj Qj/2 Qj/2 Qpe Qp Qp Qd Qd (netto) Qg E Qd(sum) Aplikacje pomp termoelektrycznych Generator prądu gźc - radioaktywny PuO2, dźc- przestrzeń kosmiczna Regulator T System chłodzenia kamery Klimatyzator samochodowy Magnetokaloryczne pompy ciepła Zjawisko magnetotermiczne przewidział teoretycznie w 1907 r. Weiss, a w 1926 r. wraz z Forrerem udowodnił eksperymentalnie. Gadolin (Gd), lantanowiec (M = 64) zmienia entropię przy zmianie natężenia pola magnetycznego (B=7,=0), co pozwoliło zbudować pompy z obiegiem Carnota, składającym się z izentropowo-izotermicznego procesu magne- i rozmagnesowania. NASA stosując obieg Ericssona w magnetotermicznej pompie zwiększyło DT pomiędzy dżc i gźc z kilku do kilkudziesięciu K. Stosując magnetokaloryczne materiały (stałe lub ciekłe) można zmodyfikować rurę cieplną (heat pipe) – rysunek obok – w pompę cieplną. Zasada działania pompy magnetokalorycznej 1–2 2–3 Qgźc 3–4 4–1 Qdźc Pakiet siatek z Gadolinu w T rurze z płynem jest izotermi- 360 cznie magnesowany (1 – 2). Wydzielone ciepło Qgźc (gźc) 320 jest odbierane przez płyn roboczy cwu (2 – 3). Po usunięciu z pola magnetycznego (3 – 4) pojemnik z Gadoliem schładza się. 280 Qgźc 2 1 Qdźc 3 4 1.6 1.8 2.0 Sm/R T W stanie (4–1) pojemnik jest dźc i pobiera niskotemperaturową energię Magnetokaloryczne urządzenie w zależności od kierunku obiegu może być pompą ciepła lub urządzeniem chłodniczym (lodówką, zamrażarką). Sm/R Rozwiązanie techniczne magnetokalorycznej pompy do skraplania gazów Efekt termoakustyczny Efekt termoakustyczny polega na wzajemnym oddziaływaniu fali akustycznej i T ośrodka, Zmiana T powoduje wzmocnienie fali dźwiękowej i vice versa To oddziaływanie nie dotyczy tylko zmian T, ale również p i r. Płyta Płyta Izotermy Różnice oddziaływań akustycznych o różnym natężeniu Zakres dźwięku normalny termoakustyczny Poziom dźwięku 60 dB 170 dB Fluktuacja T 0,00002 K 10 K Amplituda w gazie (100Hz) 0.00001 cm 4 cm Prędkość gazu 0.0001 m/s 35 m/s )130 km/h Termoakustyczna pompa ciepła Qdźc Budowa termoakustycznej pompy ciepła 2 Chłodzenie Rezonator Qgźc Grzanie L Powierzchnia odbijająca Płyty p 3 Wymiennik Wymiennik Głośnik Qgźc 4 Qdźc 1 v Obieg Stirlinga Czynnikiem roboczym w pompie może być hel, który w wyniku oddziaływania fali akustycznej, będącej siłą napędową procesu, ulega następującym przemianom termodynamicznym, : izotermiczne sprężanie 1 – 2, izochoryczne ogrzewanie 2 – 3, izotermiczne rozprężanie 3 – 4, izochoryczne chłodzenie 4 – 1. Aplikacje termoakustycznej pompy ciepła Termoakustyczna lodówka (TAR), p=7at, DT=15 K, 180 dB. Termoakustyczna lodziarka do produkcji lodów Literatura 1. Dr. Harald Mehling (heat and cold storage), Absorpcyjna pompa ciepła, http://www.zae.physik.tu-muenchen.de/zae/a1/englisch/index.html 2. Honda Develops New Energy-Efficient, Home-Use Equipment, World's smallest home-use absorption-type heat pump air conditioner http://world.honda.com/news/1998/p980312.html 3. J.Blanco, D.Alarcón, Improving the efficency of the hight capacity solar thermal seawater desalination systems: the AQUASOL Project, www.idswater.com/Common/Paper/Paper_181/Improving%20the%20efficie ncy%20of%20high%20capacity%20solar%20thermal%20seawater%20des alination%20systems.htm 4. Pompa absorpcyjna w Kutateladze Institute of Thermal Physics, http://www.sbras.nsc.ru/consult/versat8.htm . 5. Pompa absorpcyjna w Geotermii Mszczonów, http://www.geotermia.com.pl/ 6. THERMAL MANAGEMENT, Using Thermoelectric Heat Pumps for Temperature Control of Medical Equipment, http://www.devicelink.com/mem/archive/99/09/001.html Literatura cd. 7. Weiss, P. , Forrer, F. , Absolute saturation of ferromagnetic substances and the law of approach as a function of the field and of the temperature Ann. de Phys., [10], 12, 279 (1929). 8. Montoya J.E.C., Developmevt of a magnetocaloric pump for applications in heat pipes, Mechanical Engineering Uiversity of Puerto Rico, 2005, w. 1-95, http://grad.uprm.edu/tesis/catanomontoya.pdf. 9. Breitzer J., Lisensky G., Synthesis of Aqueous Ferrofluid, Procedure modified from J. Chem. Educ., 76, s.943-948, (1999) , http://mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/ffexp/index.html. 10. Engineering principles of advanced thermal management solutions, Overview (thermoelectric, thermoacoustic, thermomagnetic), http://www.crss.ucsb.edu/courses/ME156C/Lecture-4/L-4a.PDF 11. J.Rudnik, Chemiczna pompa ciepła z odwracalną reakcja CaO/Ca(OH)2 III Krajowa Konferencja „Modernizacja Miejskich Systemów Cioepłowniczych w Polsce”, Międzyzdroje 1994, s. 187 – 189. Literatura cd.3 12. Spoelstra S., Thermoacoustic heat pumps for energy savings, Seminar "Boundary crossing acoustics" of the Acoustical Society of the Netherlands on 23 November 2005, s. 1-23, 2005, http://www.ecn.nl/docs/library/report/ 2005/rx05159.pdf 13. Hendricks T.J., Johnson V.H. Keyser M.A., Heat-Generated Cooling Opportunities, Center for Transportation Technologies and Systems National Renewable Energy Laboratory Golden, Colorado, 2007, http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/ancillary_loads/pdfs/heat_cooling.pdf 14. Arslanagic A., Brooks L., Chen E., The thermoacoustic refrigerator (TAR), Dept. of Mechanical Engineering, The University of Adelaide Australia, 2003, http://www.mecheng.adelaide.edu.au/anvc/thermoacoustics/index.php? option=com_content&task=view&id=6&Itemid=2 15. McCarty M., An Introduction to Thermoacoustic Refrigeration, School of Mechanical and Aerospace Engineering Cornell University April 29, 2005, http://132.236.67.210/EngrWords/issues/ew02/McCarty_slides.pdf 16. Harcerski Ośrodek Morski, ttp://www.hompuck.org/