Pompa ciepła Cel ćwiczenia




Pobierz 88.2 Kb.
NazwaPompa ciepła Cel ćwiczenia
Data konwersji26.11.2012
Rozmiar88.2 Kb.
TypDokumentacja

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




Rys. 1

Zasada działania pompy ciepła
2. Zakres wymaganych wiadomości

Układ termodynamiczny, układ zamknięty, przemiana termodynamiczna, przemiany odwracalne i nieodwracalne, przemiana izotermiczna, przemiana izobaryczna, przemiana adiabatyczna, przemiana izentalpowa, zjawisko Joule’a-Thomsona, przemiana cykliczna, obieg prawo- i lewobieżny, obieg sprężarkowej pompy ciepła, parowanie i skraplanie, entropia, pierwsza i druga zasada termodynamiki, zasada działania i zastosowanie pompy ciepła, współczynnik




Rys. 2

Schemat budowy sprężarkowej pompy ciepła

(P – parowacz, SP – sprężarka, S – skraplacz,

ZR – zawór rozprężny)
efektywności pompy ciepła.

3. Wprowadzenie


3.1. Wiadomości wstępne

W otoczeniu, np. w powietrzu, wodzie, 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 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

(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.



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.


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

(2)

Po uwzględnieniu równania bilansu energii (1) otrzymujemy

(3)

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 = / TII

Suma przyrostów entropii wszystkich ciał uczestniczących w procesie:

S = S1+S2+S3 = -Qd / TI + / TII = 0

A więc dla obiegu idealnego spełniona jest równość:

Qd / TI = / TII

Qd / = TI / TII (4)

Ze wzoru (3) wynika

(5)

Po podstawieniu równania (4) do (5) otrzymujemy



Zatem sprawność idealnej pompy ciepła, działającej w sposób odwracalny, wynosi:

(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.




Rys. 4 Elementy badanej pompy ciepła (P – parowacz,

SP – sprężarka, S – skraplacz, K1, K2 – okienka

kontrolne, M – manometry, ZR – zawór rozprężny)
Czynnik roboczy w stanie pary nasyconej suchej (stan 1) wpływa do sprężarki SP, gdzie ulega sprężeniu (wzrasta jego ciśnienie i temperatura). Dlatego przewód prowadzący do sprężarki przedstawiony jest w formie niebieskich punktów (zimna para), podczas gdy przewód wychodzący ze sprężarki oznaczony jest punktami czerwonymi (ciepła para). Sprężona para (stan 2) ulega ochłodzeniu 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 (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 (), zaś temperatura czynnika roboczego w skraplaczu jest wyższa od temperatury źródła górnego (). 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!

  1. Przygotować w domu 3 tabele do wpisywania wyników, zgodnie ze wzorem podanym na końcu instrukcji.

  2. 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.

  3. Zapisać ciśnienie atmosferyczne.

  4. 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.

  5. Zapisać początkowe wskazania termometrów i manometrów.

  6. Uruchomić pompę ciepła oraz stoper.

  7. Podczas działania pompy ciepła intensywnie mieszać wodę w zbiornikach posługując się prętami szklanymi.

  8. 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.

  9. Wyjąć termometry ze zbiorników i punktów pomiarowych i zabezpieczyć przed uszkodzeniem.

  10. Wylać wodę i usunąć zbiornik po stronie parowacza. Osuszyć spiralę wymiennika ciepła

  11. Wylać wodę ze zbiornika po stronie skraplacza i napełnić go ponownie wodą o temperaturze pokojowej do zaznaczonego poziomu.

  12. Ponownie umieścić termometry w punktach pomiarowych na spiralach wymienników ciepła w zbiorniku z wodą po stronie skraplacza oraz w centralnej części spirali parowacza.

  13. 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)

  14. Powtórzyć czynności z punktów d)-i) zapisując wyniki w tabeli 2

  15. Powtórzyć czynności z punktów k)-n) używając jako źródła dolnego strumienia ciepłego powietrza i zapisując wyniki w tabeli 3.

  16. 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 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

, (7)

gdzie cw [J/kg] jest ciepłem właściwym wody, mw [kg] jest masą wody w zbiorniku, zaś [K/s] jest przyrostem temperatury wody w zbiorniku w jednostce czasu, obliczyć średnią moc [W] pobieraną przez wodę w zbiorniku skraplacza w kolejnych przedziałach czasu.

  1. 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




    t

    [oC]

    p

    [MPa]

    h

    [kJ/kg]

    h’’

    [kJ/kg]

    -2

    0

    0,27206

    0,29269

    197,33

    200,00

    397,51

    398,68

    2

    4

    6

    8

    10

    0,31450

    0,33755

    0,36186

    0,38749

    0,41449

    202,68

    205,37

    208,08

    210,80

    213,53

    399,84

    401,00

    402,14

    403,27

    404,40

    12

    14

    16

    18

    20

    0,44289

    0,47276

    0,50413

    0,53706

    0,57159

    216,27

    219,03

    221,80

    224,59

    227,40

    405,51

    406,61

    407,70

    408,78

    409,84

    22

    24

    26

    28

    30

    0,60777

    0,64566

    0,68531

    0,72676

    0,77008

    230,21

    233,05

    235,90

    238,77

    241,65

    410,89

    411,93

    412,95

    413,95

    414,94

    32

    34

    36

    38

    40

    0,81530

    0,86250

    0,91172

    0,96301

    1,0165

    244,55

    247,47

    250,41

    253,37

    256,35

    415,90

    416,85

    417,78

    418,69

    419,58

    42

    44

    46

    48

    50

    1,0721

    1,1300

    1,1901

    1,2527

    1,3177

    259,35

    262,38

    265,42

    268,49

    271,59

    420,44

    421,28

    422,09

    422,88

    423,63



    Korzystając ze wzoru

, (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

  1. Dla stanów stacjonarnych obliczyć entalpię parowania czynnika roboczego.

    1. Obliczyć bezwzględną wartość ciśnienia czynnika w stanie stacjonarnym p. W tym celu należy do wartości odczytanej z manometru dodać ciśnienie atmosferycz-ne pot odczytane z barometru wiszącego na ścianie (1mmHg101325 Pa).

    2. 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.

    3. Obliczyć entalpię parowania czynnika roboczego r [kJ/kg] przy danym ciśnieniu p, korzystając ze wzoru

(9)

  1. 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?

              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 = ....................... mmHg = .......................... .......... Pa

Niepewności systematyczne (typu B) pomiaru:

a) temperatury za pomocą termometru:

b) temperatury za pomocą termopary:

c) ciśnienia

d) czasu

e) mocy

Tabela do wpisywania wyników jednej serii pomiarów



t

[min]

P

[W]

Po stronie parowacza

Po stronie skraplacza

wlot

T4 [oC]

wylot

T1 [oC]

źr. dolne

TI [oC]

p1

[bar]

wlot

T2 [oC]

wylot

t3 [oC]

woda

TII [oC]

p3

[bar]

0




























2




























4




























6




























8




























10




























12




























14




























16
































[W]


























































Dodaj dokument na swoim blogu lub stronie

Powiązany:

Pompa ciepła Cel ćwiczenia iconPompa ciepła daikin pompa ciepła = Wykorzystanie klimatyzatorów do ogrzewania

Pompa ciepła Cel ćwiczenia iconĆwiczenie nr 9 pomiar ciepła spalania cel ćwiczenia

Pompa ciepła Cel ćwiczenia iconTemat pracy dyplomowej: Projekt wstępny mikroukładu kogeneracyjnego z pompą ciepła Założenia I dane

Pompa ciepła Cel ćwiczenia iconCiepło do podgrzania wody pozyskane z powietrza Nowa pompa ciepła Supraeco w marki Junkers wykorzystuje energię powietrza zewnętrznego lub z pomieszczeń

Pompa ciepła Cel ćwiczenia iconCel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania I obsługi wybranych mierników cyfrowych. Program ćwiczenia

Pompa ciepła Cel ćwiczenia iconMetody nacinania gwintów instrukcja do ćwiczenia 5 Zakres I cel ćwiczenia

Pompa ciepła Cel ćwiczenia iconSprawozdanie z przebiegu ćwiczenia (cel ćwiczenia, wykonywane eksperymenty, obliczenia I wykresy, analiza błędów zgodnie z instrukcją)

Pompa ciepła Cel ćwiczenia iconIii. 11. Pomiar efektywności pompy ciepła Cele ćwiczenia

Pompa ciepła Cel ćwiczenia iconPodczas IV forum Pomp Ciepła Junkers zaprezentował nowoczesne technologie pozyskujące energię ze źródeł odnawialnych. Pompy ciepła Junkers to jedne z najnowocześniejszych pomp ciepła w Europie

Pompa ciepła Cel ćwiczenia iconTermodynamika 2- materiały do ćwiczeń Ćwiczenia nr Przewodzenie ciepła przez przegrody płaskie I cylindryczne

Umieść przycisk na swojej stronie:
Rozprawki


Baza danych jest chroniona prawami autorskimi ©pldocs.org 2014
stosuje się do zarządzania
Rozprawki
Dom