Pompa ciepła 1. Cel ćwiczenia Poznanie zasady działania pompy ciepła Pomiar efektywności pompy ciepła i zbadanie jej zależności od temperatury dolnego źródła ciepła. Dolnym źródłem ciepła (czyli źródłem o niższej temperaturze) będą kolejno: zbiornik wody, strumień chłodnego powietrza, strumień ciepłego powietrza. Wyznaczenie wartości entalpii parowania czynnika roboczego R134a 2. Zakres wymaganych wiadomości TII > TI Układ termodynamiczny, układ zamknięty, przemiana Qw termodynamiczna, przemiany odwracalne i nieodwracalne, przemiana izotermiczna, przemiana izobaryczna, przemiana W adiabatyczna, przemiana izentalpowa, zjawisko Joule’aThomsona, Qd przemiana cykliczna, obieg prawo- i lewobieżny, obieg sprężarkowej pompy ciepła, parowanie i TI = Tot skraplanie, Rys. 1 entropia, pierwsza i druga zasada termodynamiki, zasada działania i zastosowanie pompy Zasada działania pompy ciepła ciepła, współczynnik efektywności pompy ciepła. Qw 3. Wprowadzenie 2 3.1. Wiadomości wstępne S 3 SP ZR P 4 W otoczeniu, np. w powietrzu, wodzie, W 1 Qd Rys. 2 Schemat budowy sprężarkowej pompy ciepła (P – parowacz, SP – sprężarka, S – skraplacz, ZR – zawór rozprężny) gruncie, czy ściekach, zawarte są ogromne ilości energii, która najczęściej jest bezużyteczna. Jednym z niewielu urządzeń umożliwiających wykorzystanie tego rodzaju niskotemperaturowych źródeł energii jest pompa ciepła. Pompa ciepła pobiera ciepło Qd ze źródła dolnego o temperaturze TI, a następnie oddaje ciepło Qw do źródła górnego o temperaturze wyższej TII > TI. Proces ten 1 wymaga doprowadzenia energii z zewnątrz. Idea działania pompy ciepła przedstawiona jest schematycznie na rysunkach 1 i 2. Jak widać na rysunkach, równanie bilansu energii dla pompy ciepła można zapisać w postaci Qd W Qw (1) Podstawowym zadaniem pomp ciepła jest dostarczanie ciepła Qw do ogrzewania pomieszczeń oraz przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Jak widać z równania (1) ilość uzyskiwanego użytecznego ciepła jest zawsze większa od energii napędzającej urządzenie W. Na podobnej zasadzie co pompy ciepła, lecz w innym zakresie temperatur, działają także urządzenia chłodzące, używane np. w chłodnictwie i klimatyzacji, w tym wypadku efektem użytecznym jest odbieranie ciepła Qd ze źródła dolnego. Pompa ciepła może skojarzyć obydwa te zadania, wykorzystując zarówno moc chłodzenia, jak i moc grzania. Ciekawym przykładem takiego zastosowania pompy ciepła jest mleczarnia, w której to samo urządzenie jest wykorzystywane równocześnie do chłodzenia mleka oraz ogrzewania pomieszczeń i wody użytkowej. 3.2. Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła Obecnie najczęściej stosowanymi pompami ciepła są sprężarkowe pompy ciepła napędzane energią elektryczną. Sprężarkowa pompa ciepła działa podobnie jak klasyczna chłodziarka. Jej podstawowymi elementami są: sprężarka (SP), skraplacz (S), zawór rozprężny (ZR) oraz parowacz (P) (rys. 2). Pompa ciepła jest urządzeniem, w którym krąży czynnik roboczy podlegający cyklowi przemian tworzących zamknięty obieg lewobieżny. Czynnik roboczy to substancja, która krążąc w obiegu urządzenia pośredniczy w przekazywaniu ciepła. Obecnie w pompach ciepła małej i średniej mocy jako czynników roboczych używa się zwykle nowych związków typu HFC, zbliżonych do freonów, ale nie zawierających chloru i bromu. 2 T Rys. 3 Typowy uproszczony obieg sprężarkowej pompy ciepła we współrzędnych T-s (obieg Lindego). Linią przerywaną zaznaczono krzywe graniczne (x = 0 i x = 1, gdzie x jest stopniem suchości pary nasyconej mokrej) dla czynnika roboczego. Spotykają się one w punkcie krytycznym K. Pomiędzy krzywymi granicznymi zawarty jest obszar pary nasyconej mokrej (mieszanina dwufazowa). Punkty położone na prawo od krzywej x = 1 odpowiadają stanom pary przegrzanej, zaś obszar położony na lewo od krzywej x = 0 to obszar cieczy. K 2 2' 3 4 x=0 1 x=1 s Uproszczony przebieg przemian termodynamicznych czynnika roboczego zachodzących w jednym cyklu pracy sprężarkowej pompy ciepła przedstawiony został we współrzędnych T-s (temperatura – entropia) na rysunku 3. Na realizację pełnego cyklu składają się następujące przemiany: 1-2 sprężanie izentropowe pary (przemiana adiabatyczna odwracalna) 2-2’ chłodzenie izobaryczne pary 2’-3 skraplanie izotermiczno-izobaryczne 3-4 rozprężanie izentalpowe 4-1 parowanie izotermiczno-izobaryczne Przemiana 1-2 realizowana jest w sprężarce, przemiany 2-2’-3 zachodzą w skraplaczu, przemiana 3-4 przebiega w zaworze rozprężnym, zaś przemiany 4-1 w parowaczu. W obiegu uproszczonym pominięte zostały m.in. straty ciepła do otoczenia oraz spadki ciśnienia związane z oporami przepływu czynnika. 3.3. Efektywność pompy ciepła Efektywność działania pompy ciepła określa współczynnik wydajności, zwany też wskaźnikiem efektywności energetycznej, zdefiniowany jako stosunek użytecznych efektów energetycznych do energii napędowej urządzenia. W przypadku, gdy efektem użytecznym jest wyłącznie ciepło oddane do środowiska ogrzewanego wskaźnik efektywności obliczamy ze wzoru Qw W 3 (2) Po uwzględnieniu równania bilansu energii (1) otrzymujemy Qw (3) Qw Qd Jak widać z powyższego wzoru, współczynnik wydajności pompy ciepła jest zawsze większy od 1, co świadczy o tym, że jest to urządzenie znacznie bardziej efektywne od jakiegokolwiek grzejnika elektrycznego, w którym następuje zamiana zużywanej energii elektrycznej na ciepło. Doskonałość obiegu urządzenia rzeczywistego oceniamy przez porównanie jego współczynnika wydajności z maksymalną wydajnością określoną przez II zasadę termodynamiki. Obliczymy teraz maksymalną sprawność pompy ciepła działającej pomiędzy źródłami ciepła o temperaturach TI i TII. Jest to sprawność lewobieżnego obiegu Carnota składającego się z dwóch odwracalnych przemian izotermicznych i dwóch adiabatycznych. Zgodnie z II zasadą termodynamiki, suma przyrostów entropii wszystkich ciał uczestniczących w dowolnym procesie musi być nieujemna. Suma przyrostów entropii wszystkich ciał uczestniczących w przemianie odwracalnej (idealnej) jest równa 0, natomiast w każdej rzeczywistej przemianie nieodwracalnej jest zawsze dodatnia. Obliczymy przyrosty entropii dla jednego pełnego cyklu pracy idealnej pompy ciepła, działającej zgodnie z obiegiem odwracalnym. Przyrost entropii czynnika roboczego: S1=0 (bo po wykonaniu pełnego cyklu przemian czynnik wraca do stanu początkowego, a więc entropia w stanie końcowym jest taka sama jak w stanie początkowym) Przyrost entropii dolnego źródła ciepła o temperaturze TI: S2 = -Qd / TI Przyrost entropii górnego źródła ciepła o temperaturze TII: S3 = Qw / TII Suma przyrostów entropii wszystkich ciał uczestniczących w procesie: S = S1+S2+S3 = -Qd / TI + Qw / TII = 0 A więc dla obiegu idealnego spełniona jest równość: Qd / TI = Qw / TII Qd / Qw = TI / TII (4) Ze wzoru (3) wynika 1 Qw Qd Qw 1 Po podstawieniu równania (4) do (5) otrzymujemy 4 Qd Qw (5) 1 max 1 TI TII TI TII TII Zatem sprawność idealnej pompy ciepła, działającej w sposób odwracalny, wynosi: max TII TII TI (6) Oczywiście sprawność rzeczywistej pompy ciepła nie może przekraczać wartości wynikającej ze wzoru (6). 3.4. Opis działania badanego urządzenia Elementy badanego układu przedstawione zostały na rysunku 4. W badanym urządzeniu czynnikiem roboczym jest Solkane (R134a), którego właściwości termofizyczne zestawione są w Tabeli A na końcu instrukcji. Czynnik roboczy w stanie pary M nasyconej suchej (stan 1) wpływa do sprężarki SP, gdzie ulega sprężeniu (wzrasta jego ciśnienie i K1 ZR S K2 temperatura). Dlatego przewód prowadzący do przedstawiony jest sprężarki w formie niebieskich punktów (zimna para), podczas gdy wychodzący oznaczony czerwonymi przewód ze sprężarki jest punktami (ciepła para). Sprężona para (stan 2) ulega P SP ochłodzeniu Rys. 4 Elementy badanej pompy ciepła (P – parowacz, SP – sprężarka, S – skraplacz, K1, K2 – okienka kontrolne, M – manometry, ZR – zawór rozprężny) i skropleniu w skraplaczu S. Procesowi temu towarzyszy oddawanie ciepła Qw do przestrzeni grzanej. Przeważająca część tej energii uwalniana jest podczas skraplania czynnika, a tylko niewielka jej część podczas chłodzenia czynnika. W okienku kontrolnym K1 umieszczonym za skraplaczem można zaobserwować czynnik roboczy w postaci płynu, który może zawierać pęcherzyki pary. Przewód wychodzący ze skraplacza oznaczony jest ciągła czerwoną linią 5 (ciepła ciecz). Skropliny w stanie (3) zostają rozprężone w zaworze rozprężnym ZR do stanu (4), w wyniku czego następuje spadek ciśnienia i temperatury czynnika. Następnie czynnik roboczy w postaci mieszaniny dwufazowej para-ciecz (para nasycona mokra) odparowuje w parowaczu P, pobierając przy tym ciepło Qd, które zostaje zużyte w procesie parowania czynnika. W okienku kontrolnym K2 umieszczonym za parowaczem można zobaczyć przepływający gaz lub parującą ciecz. Para w stanie (1) wpływa ponownie do sprężarki SP, zamykając w ten sposób obieg czynnika. Manometry M wskazują nadciśnienie czynnika roboczego: wychodzącego z parowacza (stan 1) wychodzącego ze skraplacza (stan 3) wyrażone w barach (1 bar = 105 Pa). Temperatura czynnika roboczego może być kontrolowana w 4 punktach pomiarowych: przy wejściu do parowacza (stan 4) przy wyjściu z parowacza (stan 1) przy wejściu do skraplacza (stan 2) przy wyjściu ze skraplacza (stan 3) Pompa ciepła działa w sposób prawidłowy, jeśli temperatura czynnika roboczego w parowaczu jest niższa od temperatury źródła dolnego ( T4 T1 TI ), zaś temperatura czynnika roboczego w skraplaczu jest wyższa od temperatury źródła górnego ( TII T3 T2 ). Jeśli, którykolwiek z powyższych warunków nie jest spełniony, wówczas w części spirali wymiennika ciepła następuje przepływ ciepła w kierunku przeciwnym do zamierzonego. Taki efekt może wystąpić w badanym urządzeniu, ponieważ, w porównaniu z komercyjnymi pompami ciepła, jest ono bardzo proste i nie posiada praktycznie żadnych systemów regulacji, zaś wymiana ciepła w zbiornikach z wodą nie jest dostatecznie intensywna. 4. Przebieg ćwiczenia 4.1. Kolejność czynności UWAGA: Podczas przemieszczania zbiorników z wodą pod wymiennikami ciepła należy zachować szczególną ostrożność i poprosić o pomoc laboranta! a) Przygotować w domu 3 tabele do wpisywania wyników, zgodnie ze wzorem podanym na końcu instrukcji. b) Napełnić oba zbiorniki wodą o temperaturze pokojowej do zaznaczonego poziomu. Odpowiada on objętości wody Vw = 4,2 l, co odpowiada masie mw = 4,20 0,10 kg. Wodę należy nabierać z wiaderek znajdujących się pod stołem. 6 c) Zapisać ciśnienie atmosferyczne. d) Umieścić termometry lub czujniki temperatury w zbiornikach z wodą oraz w 4 punktach pomiarowych na spiralach wymienników ciepła (parowacza i skraplacza). Przed umieszczeniem termometrów w punktach pomiarowych na spiralach należy na ich końce nałożyć niewielką ilość pasty przewodzącej ciepło. e) Zapisać początkowe wskazania termometrów i manometrów. f) Uruchomić pompę ciepła oraz stoper. g) Podczas działania pompy ciepła intensywnie mieszać wodę w zbiornikach posługując się prętami szklanymi. h) Co 2 minuty rejestrować wskazania wszystkich termometrów, czujników temperatury i manometrów oraz miernika mocy. Wyniki zapisywać w tabeli 1. Zakończyć pomiary po ok. 16 minutach, lub w momencie samoczynnego wyłączenia się pompy ciepła (w celu ochrony urządzenia przed przegrzaniem sterownik ciśnienia wyłącza sprężarkę, jeśli nadciśnienie czynnika osiąga wartość 16 bar). Wyłączyć pompę ciepła. i) Wyjąć termometry ze zbiorników i punktów pomiarowych i zabezpieczyć przed uszkodzeniem. j) Wylać wodę i usunąć zbiornik po stronie parowacza. Osuszyć spiralę wymiennika ciepła k) Wylać wodę ze zbiornika po stronie skraplacza i napełnić go ponownie wodą o temperaturze pokojowej do zaznaczonego poziomu. l) Ponownie umieścić termometry w punktach pomiarowych na spiralach wymienników ciepła w zbiorniku z wodą po stronie skraplacza oraz w centralnej części spirali parowacza. m) Umieścić suszarkę w statywie i skierować strumień zimnego powietrza o temperaturze pokojowej na spiralę parowacza (aby suszarka nie ogrzewała powietrza, niebieski przycisk na suszarce musi pozostawać wciśnięty) n) Powtórzyć czynności z punktów d)-i) zapisując wyniki w tabeli 2 o) Powtórzyć czynności z punktów k)-n) używając jako źródła dolnego strumienia ciepłego powietrza i zapisując wyniki w tabeli 3. p) Wyjąć termometry ze zbiornika i punktów pomiarowych, osuszyć i starannie oczyścić z pasty przewodzącej ciepło, a następnie schować do pojemników. 4. 2. Opracowanie wyników 1. Na podstawie danych z tabel 1, 2 i 3 sporządzić wykresy zależności temperatury czynnika roboczego oraz temperatury obu źródeł ciepła od czasu dla każdej serii 7 pomiarowej (sześć krzywych: T4(t), T1(t), TI(t), T2(t), T3(t), TII(t) na każdym z trzech rysunków). Na wykresach nanieść niepewności pomiarowe. Sprawdzić czy urządzenie lub jego część np. parowacz pracowało w sposób stacjonarny (w stanie stacjonarnym temperatura i ciśnienie stabilizują się). 2. Korzystając z przybliżonego wzoru T Q w cw mw II , t (7) gdzie cw [J/kg] jest ciepłem właściwym wody, mw [kg] jest masą wody w zbiorniku, zaś TII / t [K/s] jest przyrostem temperatury wody w zbiorniku w jednostce czasu, obliczyć średnią moc Q w [W] pobieraną przez wodę w zbiorniku skraplacza w kolejnych przedziałach czasu. 8 Tabela A Parametry określające stan czynnika roboczego R134a na linii granicznej x=0 i x=1: t - temperatura p – ciśnienie (wartość bezwzględna), h’ – entalpia właściwa czynnika w postaci pary nasyconej suchej, h’’ – entalpia właściwa czynnika w postaci cieczy w punkcie pęcherzyków 3. Korzystając ze wzoru Q w , P (8) gdzie P [W] jest mocą napędową sprężarki, obliczyć efektywność pompy ciepła w kolejnych przedziałach czasu. Porównać ją z maksymalną efektywnością pompy ciepła wynikającą ze wzoru (6). Oszacować niepewność pomiaru t [ C] -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 o p [MPa] 0,27206 0,29269 0,31450 0,33755 0,36186 0,38749 0,41449 0,44289 0,47276 0,50413 0,53706 0,57159 0,60777 0,64566 0,68531 0,72676 0,77008 0,81530 0,86250 0,91172 0,96301 1,0165 1,0721 1,1300 1,1901 1,2527 1,3177 h’ [kJ/kg] 197,33 200,00 202,68 205,37 208,08 210,80 213,53 216,27 219,03 221,80 224,59 227,40 230,21 233,05 235,90 238,77 241,65 244,55 247,47 250,41 253,37 256,35 259,35 262,38 265,42 268,49 271,59 h’’ [kJ/kg] 397,51 398,68 399,84 401,00 402,14 403,27 404,40 405,51 406,61 407,70 408,78 409,84 410,89 411,93 412,95 413,95 414,94 415,90 416,85 417,78 418,69 419,58 420,44 421,28 422,09 422,88 423,63 4. Dla stanów stacjonarnych obliczyć entalpię parowania czynnika roboczego. a) Obliczyć bezwzględną wartość ciśnienia czynnika w stanie stacjonarnym p. W tym celu należy do wartości odczytanej z manometru dodać ciśnienie atmosferyczne pot odczytane z barometru wiszącego na ścianie (1mmHg 101325 Pa). b) Odczytać z Tabeli A wartość entalpii właściwej czynnika w postaci cieczy h’ i w postaci pary h’’. Jeśli w tabeli nie ma poszukiwanej wartości ciśnienia, należy posłużyć się metodą interpolacji liniowej. c) Obliczyć entalpię parowania czynnika roboczego r [kJ/kg] przy danym ciśnieniu p, korzystając ze wzoru r h' 'h' (9) 5. Podsumowanie i wnioski Zastanowić się nad następującymi zagadnieniami (odpowiedzi należy umieścić we wnioskach): 1. Czy efektywność pompy ciepła zależy od temperatury górnego i dolnego źródła ciepła? 2. Czy efektywność działania badanego urządzenia jest duża, czy mała w porównaniu z efektywnością maksymalną określoną przez II zasadę termodynamiki? 3. W jaki sposób można zwiększyć efektywność działania pompy ciepła? 9 4. Czy entalpia parowania czynnika roboczego zależy od jego ciśnienia i temperatury? Literatura 1. W. Zalewski : Pompy ciepła. Podstawy teoretyczne i przykłady zastosowań. Wyd. Politechniki Krakowskiej 1995 2. W. Zalewski: Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne. Podstawy teoretyczne. Przykłady obliczeniowe. IPPU MASTA 2001 3. Wykłady z termodynamiki umieszczone na stronie www.mlewandowska.ps.pl 4. D.Halliday, R. Resnick, J. Walker: Podstawy fizyki t.2. PWN 2003 Dodatek. Propozycja zapisu wyników pomiaru pot = ....................... 1 mmHg = .......................... .......... Pa Niepewności systematyczne (typu B) pomiaru: a) temperatury za pomocą termometru: u (T ) b) temperatury za pomocą termopary: u (T ) c) ciśnienia u ( p ) d) czasu u (t ) e) mocy u (P ) Tabela do wpisywania wyników jednej serii pomiarów t [min] P [W] Po stronie parowacza Po stronie skraplacza wlot wylot źr. dolne p1 wlot wylot woda p3 T4 [oC] T1 [oC] TI [oC] [bar] T2 [oC] t3 [oC] TII [oC] [bar] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 10 Q w [W]
