1/66 Základy epelných čerpadel princip přečerpávání epla základní oběhy hlavní součási epelných čerpadel
2/66 Tepelná čerpadla 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
3/66 Tepelná čerpadla základní principy 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)
4/66 Tepelná čerpadla základní principy 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
5/66 Zařízení pro přečerpávání epla chladicí zařízení využívají primárně chladicího jevu užiečným eplem je eplo odebírané prosředí A (snižuje její 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
6/66 Zařízení pro přečerpávání epla 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
7/66 Tepelné oběhy pro přečerpávání epla 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
8/66 Náročnos přečerpávání epla opný fakor coefficien of performance COP chladicí fakor energy efficiency raio EER ε = Q B W ε ch = Q A W
9/66 Carnoův oběh 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
10/66 Carnoův oběh 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 B q T A 1 2 ε B, C = = ε ch, C = = = ε, C 1 w T2 T w T2 T1 1 q T
11/66 Carnoův oběh 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 T2 ε = η, TČ TČ srovnávací účinnos η T T TČ = 0,4 až 0,6 2 1 malé výkony velké výkony
12/66 Parní oběh 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
13/66 Parní oběh 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
Pracovní láka reálné chladivo 14/66
15/66 Pracovní láka reálné chladivo p [MPa] h [J/kg]
16/66 Rankinův oběh 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)
17/66 Rankinův oběh 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
18/66 Skuečný oběh x Rankinův oběh 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
19/66 Bilance Rankinova oběhu Q & Q & v k = M & = M & ch ch ( ) h 1 h 4 ( ) h 2 h 4 P ie = M & ch ( ) h 2 h 1 ε, R Q = & P k ie = h h 2 2 h h 4 1 ε ch, R Q = & P v ie = h h 1 2 h h 4 1
20/66 Topný fakor závislý na eploách 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 12 10 8 ε 6.0 6 4 3.0 2 0 10 20 30 40 50
21/66 Skuečný oběh odchyluje se od Rankinova oběhu v: přehřívání par chladiva podchlazení kapalného chladiva kompresi par chladiva
22/66 Přehřívání par chladiva kompresor nasává již přehřáou páru o p 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) přehřáí je výhodné (oproi chladicím zařízením) vyšší opivos přehřáé páry na sání kompresoru = nižší opořebení, delší živonos
23/66 Podchlazení kapalného chladiva podchlazení kapalného chladiva pod křivku syé kapaliny o 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
24/66 Vniřní rekuperace epla přehřáí páry nasávané kompresorem podchlazení kapaliny do expanzního venilu zvýšení opného fakoru zvýšení živonosi epelného čerpadla
25/66 Reálná komprese 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 η ie = h h 2 2' h h 1 1 = P P ie i
26/66 Reálná komprese izoenropická účinnos η h h h h P P 2 1 ie ie = = = 2' 1 i eoreický izoenropický prikon vniřni indikovaný prikon
Reálná komprese 27/66
28/66 Prvky epelného čerpadla kondenzáor výparník expanzní venil kompresor
29/66 Kompresor 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
30/66 Kompresor - provedení 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
31/66 Kompresor - konsrukce 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
32/66 Kompresor - konsrukce písové kompresory - funkce
33/66 Kompresor - konsrukce 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
34/66 Kompresor - funkce Vsup Vsup Slačovaný prosor Výsup
35/66 Kompresor - konsrukce roační spirálový kompresor
36/66 Pohon epelných čerpadel 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)
37/66 Elekrický příkon kompresoru P i K P ef M P el mechanická účinnos kompresoru η m řecí zráy v pohybovém mechanismu účinnos převodu η p řecí zráy v převodu, klínový řemen 0,90-0,95, pevná spojka 1,0 účinnos elekromooru účinnos 0,80-0,90 η el P el = P η i s = η m P η i p η el = p P ef η η el hermeické kompresory η s = 1 oddělená sousrojí P i = P ef
38/66 Výparník 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
39/66 Výparník 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
40/66 Výkon výparníku v v v A U Q = & ) ( ) ( ln ) ( ) ( ) ( ln ) ( ) ( ' " ln ' " 2 1 2 1 2 1 2 1 v v v v v v v v v v v v v v v = = = v v v v v + = = 2 2 1 12 v linearizace při malých rozdílech
41/66 Kondenzáor 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)
42/66 Kondenzáor předchlazení přehřáých par podchlazení kapaliny k1 - k2 = 10 K záleží na výkonu TČ a průoku
43/66 Výkon kondenzáoru k k k A U Q = & ) ( ) ( ln ) ( ) ( ) ( ln ) ( ) ( ' " ln ' " 2 1 1 2 2 1 2 1 k k k k k k k k k k k k k k k = = = 2 2 1 12 k k k k k k + = = linearizace při malých rozdílech
44/66 Expanzní (škricí) venil průchodem kapalného chladiva EV se poklesem laku čás chladiva odpaří a do výparníku vsupuje jako směs páry a kapaliny při výparné eploě (mokrá pára) 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 p = 4 až 8 K
45/66 Expanzní (škricí) venil škricí orgán kapilára pro konsanní provozní podmínky (chladnička) ermosaicky řízený expanzní venil (TEV) elekronicky řízený expanzní venil (EEV) přesné řízení přehřáí Přehřáí Výpočový bod 7 K Průběh TEV 4 K Průběh EEV B-5/W45 B0/W35 B5/W30 B10/W25 Provozní rozsah
46/66 Chladiva azeoropní chovají 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
47/66 Chladiva azeoropní zeoropní
48/66 Chladiva 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
49/66 Chladiva 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
50/66 Chladiva 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
51/66 Regulace výkonu regulace obokem do sání regulace nasáého objemu snížení kompresního poměru frekvenční měnič oáček (inverer) regulace oáček kompresoru AC inverery, DC inverery, regulace výkonu 30 až 100 % pulsní regulace (digial scroll) pulsní modulace mechanismu komprese regulace výkonu 10 až 100 %
52/66 Regulace obokem do sání ovládaný regulační kroužek obok snižuje výkon kompresoru
53/66 Regulace změnou oáček požadavky frekvenční měnič 30 až 100 Hz speciální moor: indukční (AC) oáčky jsou přímo úměrné frekvenci sřídavého proudu mazací čerpadlo výhody eliminace vysokého sarovacího proudu
54/66 Regulace pulsní (digial scroll) modulační komora solenoid. venil svisle pohyblivý pevný roor spojen s písem pružina odlehčený chod vzdálení roorů od sebe cca 1 mm oevření zkrau
55/66 Regulace pulsní konfigurace k nepohyblivému rooru je upevněn pís nad horní čásí písu je modulační komora, spojená s výlakem 0.6 mm solenoidový venil spojuje modulační komoru se sáním zavřený solenoid výlačný lak působí na obě srany písu, pružina přilačuje roory k sobě scroll pracuje se 100% výkonem oevřený solenoid uvolnění laku v modulační komoře, pís jde nahoru, oddálení roorů scroll pracuje s 0% výkonem
56/66 Regulace pulsní oddálení 20% výkon 50% výkon
Reverzní epelné čerpadlo (vyápění) 57/66
Reverzní epelné čerpadlo (chlazení) 58/66
59/66 Cykly pro vysoké eploy důvody rekonsrukce sarších domů vysoké projekované eploy oopné vody využií epelných čerpadel pro 100% kryí cykly jednosupňový: max. 55 C, jinak příliš vysoké eploy a laky, s radikálním poklesem opného fakoru dvojsupňový (kaskádový), dva okruhy, dva kompresory jednosupňový se vsřikováním páry do kompresoru (EVI: Enhanced Vapour Injecion)
60/66 Dvojsupňový cyklus R 134A R 404A
EVI cyklus 61/66
EVI cyklus 62/66
63/66 EVI cyklus modifikace jednosupňového cyklu za kondenzáorem se odvede kapalné vysokolaké chladivo (elmag.v.) expanzní venil: redukce laku na vsřikovací odpaření ve výměníku vsřik přímo do kompresoru, zchlazení chladiva, zvýšení hmonosního oku, zvýšení výkonu využií pro epelná čerpadla vzduch - voda při -15 C lze dosáhnou 65 C provoz TČ i při -20 C
64/66 Tepelná čerpadla s plynovým moorem kompresorové epelné čerpadlo zdrojem vysokopoenciální energie: mechanická energie plynový moor vyšší využií paliva vyšší eploy: využií epla spalin
65/66 Sorpční epelná čerpadla plynová epelná čerpadla zdrojem vysokopoenciální energie: eplo o vysoké eploě (spalování zemního plynu) epelná komprese kapalný sorben (rozok) / chladivo: voda / NH 3
66/66 Sorpční epelná čerpadla vzduch-voda, země-voda NH3 (amoniak)-voda max. eploa 70 C opný fakor 1.5 energie plynu eplo pro využií eplo pro využií ochlazované prosředí