1/65 Základy tepelných čerpadel

Transkript

1 1/65 Základy epelných čerpadel princip přečerpávání epla základní oběhy hlavní součási epelných čerpadel

2 Tepelná čerpadla 2/65 zařízení, kerá umožňují: cíleně čerpa epelnou energii z prosředí A o nízké (= nevyužielné) eploě (anergie) a zároveň předáva ji do prosředí B při vyšší (=využielné) eploě 1 4 ochlazování ohřev odebírání epelné energie A TČ B předávání epelné energie 2 3

3 Tepelná čerpadla základní principy 3/65 2. zákon ermodynamiky (růs enropie, nevranos epelných pochodů): epelná energie nemůže samovolně přecháze z prosředí o nižší eploě do prosředí o vyšší eploě děj lze uskuečni pouze za přívodu vnější energie o vyšší kvaliě (poenciálu, eploě) vysokopoenciální energie elekrická (elekromoor) mechanická (hřídel mooru, převod) epelná o vyšší eploě než je eploa, na kerou se přečerpává (plynový hořák)

4 Tepelná čerpadla základní principy 4/65 přečerpávání epla: pohonná vysokopoenciální energie W degraduje a přechází s přečerpávanou energií do prosředí B W (práce) 1 4 Q A odebrané eplo TČ Q B = Q A + W předané eplo 2 3

5 Zařízení pro přečerpávání epla 5/65 chladicí zařízení využívají primárně chladicího jevu užiečným eplem je eplo odebírané prosředí A (snižuje jeho eplou) nevyužiým eplem je eplo odváděné do prosředí B (odpadní eplo) epelné čerpadlo účelně využívá eplo předávané do prosředí B rozdíl není v principu, ale v charakeru využií epla nelze však jednoduše směšova s ohledem na odlišnosi v konsrukci prvků obou zařízení

6 Zařízení pro přečerpávání epla 6/65 epelné oběhy (cykly) pracovní láka prochází změnami savu a vrací se do výchozího znázornění oběhu v diagramech pracovní láky pravoočivý oběh eplo se přeměňuje na práci (epelné moory) levoočivý oběh přečerpávání epla, chladicí oběh

7 Tepelné oběhy pro přečerpávání epla 7/65 parní oběh pohonná energie: mechanická, elekrická kompresorová TČ: elekrický kompresor, plynová urbína sorpční oběh pohonná energie: epelná sorpční TČ: absorpční (plynová), adsorpční (plynová) proudový oběh pohonná energie: epelná

8 Náročnos přečerpávání epla 8/65 opný fakor coefficien of performance COP chladicí fakor energy efficiency raio EER COP Q W B EER Q W A

9 Carnoův oběh 9/65 eoreický oběh vraný (ideální) epelně nejúčinnější yp oběhu nelze jej v reálném zařízení uskuečni izoenropické změny (s = kons.) komprese, expanze izoermické změny (T = kons.) přívod epla, odvod epla

10 Carnoův oběh 10/65 měrné energie q A q 41 T1 1 s ( s 4 ) q B q B q 23 T2 1 s ( s 4 ) [J/kg] w w q B q A ( T2 T1 ) ( s1 s4 ) q A COP C q T A 1 B 2 EER C COPC 1 w T2 T w T2 T1 1 q T

11 Carnoův oběh 11/65 nereálný oběh nezohledňuje: konečnou velikos eplosměnných ploch reálné vlasnosi pracovních láek (chladiv) skuečnou účinnos zdroje pohonné energie (neizoenropický zdroj) epelné zráy do okolí pořebu pohonné energie pro pomocná zařízení skuečný opný fakor srovnání s Carnoem COP TČ T 2 TČ srovnávací účinnos T2 T TČ = 0,4 až 0,6 1 malé výkony velké výkony

12 Parní oběh 12/65 nejrozšířenější oběh, naprosá věšina epelných čerpadel 1) odnímání epla při nízké eploě a nízkém sálém laku změnou skupensví (vypařováním) pracovní láky ve výparníku 2) odsávání par a jejich slačování kompresorem zvýšení laku = zvýšení eploy změny skupensví pracovní láky 3) předávání epla při vysoké eploě a vysokém sálém laku změnou skupensví (kondenzací) pracovní láky v kondenzáoru 4) pokles laku (expanze) v expanzním (škricím) venilu snížení laku = snížení eploy změny skupensví pracovní láky

13 Parní oběh 13/65 Q v P Q k Q k = Q v + P 4-1: vypařování při nízkém vypařovacím laku p v a eploě v < v2, ochlazení 1-2: komprese na vyšší kondenzační lak p k 2-3: ochlazení par a kondenzace při laku pk a eploě k > k2, odvedení přečerpaného epla z kondenzáoru, ohřev 3-4: škricí venil pro udržení rozdílu laků mezi V a K

14 Pracovní láka reálné chladivo 14/65

15 Pracovní láka reálné chladivo 15/65 p [MPa] h [J/kg]

16 Rankinův oběh 16/65 parní oběh s reálnou pracovní lákou (chladivem) idealizovaný Rankinův oběh 4-1: izobarické vypařování na mez syé páry 1-2: izoenropická komprese syé páry na přehřáou páru 2-3: izobarické ochlazení přehřáých par na mez syosi a následná kondenzace na mez syé kapaliny 3-4: izoenalpické škrcení na mokrou páru, snížení laku škrcením, nekoná se práce, nepřivádí se eplo = nemění se enalpie (adiabaické škrcení)

17 Rankinův oběh 17/65 syá pára 350 kpa -3 C přehřáá pára 2.4 MPa +70 C mokrá pára 350 kpa -10 C syá kapalina 2.4 MPa +42 C

18 Skuečný oběh x Rankinův oběh 18/65 idealizovaný Rankinův oběh předpokládá: žádné podchlazení nebo přehřáí chladiva, savy chladiva na mezi syosi nulové lakové zráy v oběhu chladiva (porubí, výměníky) dokonale epelně izolované epelné čerpadlo, eliminace sdílení epla s okolím izoenropická = bezzráová komprese Rankinův oběh není echnicky zcela realizovaelný, odchylky od skuečného oběhu jsou malé

19 Bilance Rankinova oběhu 19/65 Q Q v k M M ch ch h 1 h 4 h 2 h 4 P ie M ch h 2 h 1 COP R Q h h EER Q h k 2 4 v 1 4 R Pie h2 h P h 1 ie 2 h1 h

20 Topný fakor závislý na eploách 20/65 k - dána okruhem spořeby - oopnou sousavou (ělesa, podlahové vyápění, VZT, TV) v - dána eploou ochlazovaného prosředí (země, vzduch, povrch. voda, podzemní voda) yp chladiva yp kompresoru COP D

21 Skuečný oběh 21/65 odchyluje se od Rankinova oběhu v: přehřívání par chladiva podchlazení kapalného chladiva kompresi par chladiva

22 Přehřívání par chladiva 22/65 kompresor nasává již přehřáou páru o D p přehřáí je výhodné (oproi chladicím zařízením) vyšší opivos přehřáé páry na sání kompresoru = nižší opořebení, delší živonos k přehřáí dochází: funkcí ermosaického expanzního venilu přívodem epla z okolí = epelnými zisky do porubí mezi V a C v ělese hermeického kompresoru eplem odváděným z mooru zvlášní výměník za výparníkem, přehřívání vnějším zdrojem vniřní rekuperací epla ve výměníku za výparníkem (párou se podchlazuje kapalné chladivo)

23 Podchlazení kapalného chladiva 23/65 podchlazení kapalného chladiva pod křivku syé kapaliny o D d k podchlazení dochází účelně pro: pro správnou funkci ermosaického expanzního venilu podchlazení zajišťuje příok kapalného chladiva = sabilizovaná funkce, minimalizace kaviace, delší živonos zvýšení hospodárnosi oběhu zvýšení opivosi, vniřní rekuprace parou vysupující z výparníku

24 Vniřní rekuperace epla 24/65 přehřáí páry nasávané kompresorem podchlazení kapaliny do expanzního venilu zvýšení opného fakoru zvýšení živonosi epelného čerpadla

25 Reálná komprese 25/65 komprese par chladiva není izoenropická (bezezráová) nasávání par: páry se ohřívají o sěny válce a písu (enropie klesá) vylačování par: eploa přehřáých par je vyšší a eplo je z chladiva odváděno do sěn válce a písu, epelné zráy (enropie rose) polyropická komprese: zvýšení energeické náročnosi skuečnými pochody v kompresoru izoenropická účinnos ie h h 2 2' h h 1 1 P P ie i eoreický izoenropický prikon vniřni indikovaný prikon

26 Reálná komprese 26/65 ie h h 2 2' h h 1 1

27 Reálná komprese 27/65 ie h h 2 2' h h 1 1

28 Reálná komprese 28/65

29 Prvky epelného čerpadla 29/65 kondenzáor výparník expanzní venil kompresor

30 Kompresor 30/65 nasává přehřáé páry z výparníku při laku na sání p v a slačuje je na kondenzační lak p k požadavky: funkce v požadovaném rozsahu laků a eplo provozní spolehlivos dlouhodobá živonos minimální údržba nízká hlučnos

31 Kompresor - provedení 31/65 oddělené pohonný moor je od kompresoru oddělen převodem hřídel je v kompresorové skříni ěsněna ucpávkou velká zařízení epelné zráy mooru se nepodílí na oběhu hermeické K M moor a kompresor v hermeicky uzavřené lakové nádobě zráy (elekro)mooru se podílí na bilanci oběhu vinuí je chlazeno nasávanými parami chladiva přehřívání par na sání kompresoru K M

32 Kompresor - konsrukce 32/65 písové kompresory nejsarší yp páry chladiva nasávány přes sací venil sací venily se zavřou, slačování par ve válci přehřáé páry vylačeny přes výlačné venily při dosažení požadovaného laku negaivní vliv škodlivého prosoru válce, vliv na účinnos kompresoru

33 Kompresor - konsrukce 33/65 písové kompresory - funkce

34 Kompresor - konsrukce 34/65 roační spirálové kompresory (scroll) pracovní cyklus nasávání, slačování a výlaku par chladiva je realizován pohybem pohyblivé spirály vůči saické spirále plynulá změna kompresního prosoru sání je na obvodu, výlak ve sředu menší množsví pohybujících se čásí = vyšší živonos, spolehlivos, menší vibrace, nižší hlučnos eliminace škodlivého prosoru

35 Kompresor - funkce 35/65 Vsup (sání) Vsup (sání) Slačované chladivo v posupně se zmenšujícím prosoru Výsup (výlak)

36 Kompresor - konsrukce 36/65 roační spirálový kompresor

37 Pohon epelných čerpadel 37/65 kompresory (spirálové, písové, šroubové) parní cyklus chladiva el. moor oddělené, kompakní provedení plynová urbína využií epla spalin, oální TČ absorpční cyklus dvojice láek rozok-chladivo (LiBr-H 2 O) epelná energie (spalování plynu, eplo spalin, solární kolekory)

38 Elekrický příkon kompresoru 38/65 P i K P ef M P el mechanická účinnos kompresoru m řecí zráy v pohybovém mechanismu účinnos převodu řecí zráy v převodu, klínový řemen 0,90-0,95, pevná spojka 1,0 p účinnos elekromooru účinnos 0,80-0,90 el P el P i s m P i p el p P ef el hermeické kompresory s = 1 oddělená sousrojí P i = P ef

39 Výparník 39/65 odebírá eplo nízkopoenciálnímu zdroji epla (chlazenému prosředí) vypařováním chladiva za nízkého laku při eploě nižší než je výsupní eploa eplonosné láky v2 ochlazování eplonosné láky : nemrznoucí směs (TČ země-voda) voda vzduch (TČ voda-voda) (TČ vzduch-voda) výměníky : kapaliny: leovaný deskový výměník vzduch: rubkový žebrový výměník

40 Výparník 40/65 v1 - v2 kapaliny 3-5 K vzduch 10 K 1 1 chladivo je na vsupu z EV již čásečně odpařeno přehřáí par chladiva nad mez syosi

41 41/65 Výkon výparníku v v v A U Q D ) ( ) ( ln ) ( ) ( ) ( ln ) ( ) ( ' " ln ' " v v v v v v v v v v v v v v v D D D D D v v v v v D v linearizace při malých rozdílech

42 Kondenzáor 42/65 předává eplo pro využií do eplonosné láky (ohřívanému prosředí) kondenzací chladiva za vysokého laku při eploě vyšší než je výsupní eploa eplonosné láky k2 ohřívání eplonosné láky : oopná voda eplá voda (běžná TČ) (TČ ohřívače) výměníky : leovaný deskový výměník rubkový žebrový výměník (uvniř zásobníku)

43 Kondenzáor 43/65 předchlazení přehřáých par podchlazení kapaliny k1 - k2 = 5-10 K záleží na výkonu TČ a průoku

44 44/65 Výkon kondenzáoru k k k A U Q D ) ( ) ( ln ) ( ) ( ) ( ln ) ( ) ( ' " ln ' " k k k k k k k k k k k k k k k D D D D D k k k k k k D linearizace při malých rozdílech

45 Expanzní (škricí) venil 45/65 udržuje lakový rozdíl mezi vysokolakou a nízkolakou sranou chladicího oběhu reguluje průok chladiva z kondenzáoru do výparníku v závislosi na výsupní eploě z výparníku udržuje přehřáí chladiva za výparníkem D p = 4 až 8 K průchodem kapalného chladiva EV se poklesem laku čás chladiva odpaří a do výparníku vsupuje jako směs páry a kapaliny při výparné eploě (mokrá pára)

46 Přehřáí Expanzní (škricí) venil 46/65 škricí orgán kapilára pro konsanní provozní podmínky (chladnička) ermosaicky řízený expanzní venil (TEV) elekronicky řízený expanzní venil (EEV) přesné řízení přehřáí Výpočový bod 7 K 4 K Průběh TEV Průběh EEV B-5/W45 B0/W35 B5/W30 B10/W25 Provozní rozsah

47 Chladiva 47/65 azeoropní chovají se jako čisé kapaliny, během změny skupensví se složení par a kapaliny nemění, mohou bý jednosložková nebo vícesložková R22, R290, azeoropní směs: R502 či R507 zeoropní směsi obvykle 2 až 4 druhů chladiv eploní skluz nesejnoměrné vypařování složek chladiva, rozdíl ve vypařovacích eploách jednolivých složek chladiva při konsanním laku. Teploa během vypařování mírně vzrůsá, při kondenzaci mírně klesá. R407a, zaímco R404a je směs blízce azeoropní

48 Chladiva 48/65 azeoropní

49 Chladiva 49/65 zeoropní

50 Chladiva 50/65 CFC plně halogenizované uhlovodíky a jejich směsi, j. všechny aomy vodíku v molekule jsou nahrazeny aomy prvků ze skupiny halogenidů (Cl, F, Br) vrdé freony R11, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503 a další. HCFC chlorofluorované uhlovodíky, mají v molekule i aomy vodíku měkké freony R21, R22, R141b, R142b, R123, R124

51 Chladiva 51/65 HFC HC nemají v molekule aomy chloru, jen fluor R134a, R152a, R125, R32, R218, R407c, R404a přírodní uhlovodíky a jejich směsi čpavek, propan (R290) zcela bez halogenidů, ale jsou hořlavé

52 Chladiva 52/65 Chladivo (složení) Fakor poškození ozónové vrsvy RODP Fakor vlivu na globální oeplování HGWP plně halogenované uhlovodíky (CFC) R11 (CFCl3) - reference 1 1 R12 (CF2Cl2) 1 3 čásečně halogenované uhlovodíky (HCFC) R22 (CHF2Cl) 0,06 0,34 R401 (R22+R152a+R124) 0,03 0,22 R402 (R22+R290+R125) 0,02 0,64 fluorované uhlovodíky (HFC) a jejich směsi (bez chloru) R134a (C2H2F4) 0 0,27 R507 (C2HF5+C2H3F3) 0 0,98 R410a (CH2F2+C2HF5) 0 0,41 R407c (CH2F2+C2HF5+C2H2F4) 0 0,39 zakázaná chladiva bez možnosi servisu přechodná do 2015 (pouze servis, nesmí do nových zařízení) dlouhodobá alernaivní bezchlorová chladiva nahrazující CFC, bez vlivu na ozónovou vrsvu

53 Paramery epelného čerpadla 53/65 opný výkon Q k [kw] výkon odebíraný z kondenzáoru opný fakor COP [-] při jasně definovaných podmínkách v1 a k2 elekrický příkon P el [kw] výkon zdroje NPT Q v [kw] výkon přiváděný do výparníku

54 Schéma (el. poháněné TČ) 54/65 Q v P el.. Q k Q k P el Q v COP Q P k el COP Tk (0,4 až 0,6) T T k v Q v Q k P el Q k 1 1 P el ( COP 1) COP

55 55/ C 5 6 COP [-] Paramery epelného čerpadla vzduch-voda vzduch-voda 35 C 50 C 4 Q k, P el [kw] 4 k2 50 C e [-] 3 50 C 2 2 k2 35 C v1 [ C] v1 [ C]

56 Paramery epelného čerpadla 56/65 epelné čerpadlo vzduch - voda

57 COP [-] Paramery epelného čerpadla 57/65 epelné čerpadlo vzduch - voda

58 Paramery epelného čerpadla 58/ země-voda 6 země-voda COP [-] 35 C 35 C 50 C 5 8 Q k, P el [kw] 6 4 k2 e [-] 4 50 C 2 50 C 35 C 3 k v1 [ C] v1 [ C]

59 Paramery epelného čerpadla 59/65 epelné čerpadlo země - voda

60 Paramery epelného čerpadla 60/65 epelné čerpadlo voda - voda

61 Topný fakor zkušební normy 61/65 ČSN EN Klimaizáory vzduchu, jednoky pro chlazení kapalin a epelná čerpadla s elekricky poháněnými kompresory - Režim ohřívání ČSN EN 255-1: do - Termíny, definice a označování ČSN EN 255-1: do - Zkoušení a požadavky na značení jednoek prosorového vyápění ČSN EN 255-3: do - Zkoušení a požadavky na značení jednoek pro eplou užikovou vodu ČSN EN 255-4: do - Požadavky na jednoky prosorového vyápění a pro eplou užikovou vodu EN 255 je zrušena.

62 Topný fakor zkušební normy 62/65 ČSN EN Klimaizáory vzduchu, jednoky pro chlazení kapalin a epelná čerpadla s elekricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prosoru ČSN EN : do - Termíny a definice ČSN EN : do - Zkušební podmínky ČSN EN : do - Zkušební meody ČSN EN : do - Požadavky EN v současné době nahradila EN 255 řada výrobců má plané cerifikáy z měření podle EN 255

63 Topný fakor zkušební podmínky 63/65 ČSN EN 14511: voda-voda jmenovié: 10/35 C 10/45 C provozní: 15/45 C 10/55 C ČSN EN 14511: nemrznoucí směs-voda (země-voda) jmenovié: 0/35 C 0/45 C provozní: 5/35 C 5/45 C 0/55 C -5/45 C ČSN EN 14511: vzduch-voda (venkovní vzduch) jmenovié: 7/35 C 7/45 C provozní: 2/35 C 2/45 C 7/55 C -7/35 C -7/45 C -7/55 C -15/35 C -15/45 C

64 Topný fakor EN x EN /65 Značení: země-voda S0/W35, vzduch-voda A2/W35, voda-voda W10/W35 podle ČSN EN 14511: oopná voda vsupující do epelného čerpadla daná 30 C, vysupující 35 C, eploní spád 5 K podle ČSN EN 255: oopná voda vsupující do epelného čerpadla neurčena (25 C), vysupující 35 C, výrobci mohli udáva eploní spád 10 K podle EN 255 lepší opné fakory od několik desein!!!

65 Topný fakor EN /65 zkušební sekvence epelného čerpadla musí odpovída jeho funkci v provozu epelná čerpadla vzduch-voda: včeně odmrazovacího cyklu