Odzysk ciepa skraplania i ciepla przegrzania

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 q0. Zgodnie z teorią spręŜarkowych
parowych obiegów chłodniczych naleŜy przy tym wykonać pracę napędową spręŜarki. Do
otoczenia (poprzez skraplacz) oddawane jest ciepło skraplanie qk równe sumie ciepła
odebranego ze środowiska chłodzonego q0 oraz pracy napędowej.
W owym skraplaczu najpierw odbierane jest ciepło przegrzania par czynnika, którego
wartość moŜna określić jako qkp=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 qk’=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 qd.
Całkowita ilość ciepła odebranego od czynnika chłodniczego w skraplaczu jest sumą ciepła
przegrzania par czynnika, ciepła właściwego skraplania oraz ciepła dochłodzenie ciekłego
czynnika, zatem:
qk=qkp+qk’+qd
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 qk łącznie z ciepłem przegrzania
qkp oraz ciepłem dochłodzenia qd(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.
rys4.
Częściowy odzysk ciepła w obszarze pary przegrzanej
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 100C do 550C.
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 100C do temperatury 400C, wykorzystując wydajność grzewcza procesu
skraplania. Drugi etap, to podgrzanie wody od temperatury 400C do 500C.
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 400C, jaki i dla 550C.
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