Tepelnáčerpadla, pracovní látky, principy, zdroje, zapojení, příklady využití 1. Pracovní látky - chladiva Pracovní látkou tepelného čerpadla je látka, která v oběhu tepelného čerpadla přijímá teplo při nízkém tlaku a teplotě a odevzdává je při vyšším tlaku a teplotě. Vlastnosti pracovní látky: - nehořlavá a nejedovatá; - negativně nepůsobit na životní prostředí; - velké výparné teplo; - malá měrná tepelná kapacita v kapalné fázi; - vysoký součinitel tepelné vodivosti; - nízká viskozita; - inertní vůči mazacím olejům; - inertní vůči konstrukčním materiálům; - snadno indikovatelná; - umožnovat snadné odloučení vzduchu. Rozdělení podle ASHRAE: - Chladiva HFCKW halogenové uhlovodíky obsahující chlór (R 22, R 124, R 142b; - Směsi látek HFCKW často se jedná o třísložkové směsi (R 409A); - Chladiva HFKW halogenové uhlovodíky neobsahující chlór ( R 134a, R 143a, R 125); - Směsi látek HFKW často třísložkové směsi ( R 404A, R 407C, R 507); - Směsi HFCKW a HFKW často třísložkové směsi (R 413A, R 401A); - Ostatní chladiva neobsahující halogeny čpavek, propan, CO2 (R 717, R 290, R 744). 1
Nejčastěji se používají následující pracovní látky: R 22 jedná se o jednosložkové chladivo, halogenový uhlovodík s obsahem chlóru; R 134 a jde o jednosložkové chladivo, halogenový uhlovodík bez obsahu chlóru; R 404A jedná se o třísložkovou směs, všechny složky jsou halogenové uhlovodíky bez chlóru, složky jsou R 143a/R 125/R 134a, směs v poměru 52/44/4 %; R 407C - jedná se o třísložkovou směs, všechny složky jsou halogenové uhlovodíky bez chlóru, složky jsou R 22/R 125/R 134a, směs v poměru 23/25/52 %. Azeotropní směsi fázové změny jsou izotermicko izobarické; Neazeotropní směsi (zeotropní) - teplotní skluz, fázové změny jsou izobarické,ale ne izotermické Obr. 1. Teplotní skluz zeotropní směsi 2
Vliv pracovních látek tepelných čerpadel na životní prostředí Úniky chladiva: - při plnění systému; - při provozu systému; - při likvidaci zařízení. Následky úniku chladiva: a) Nebezpečí požáru, resp. výbuchu. b) Nebezpečné působení na lidský organismus. c) Vliv pracovní látky na ozónovou vrstvu v atmosféře. d) Vliv pracovní látky na skleníkový efekt. 2. Základní principy tepelných čerpadel Tepelná čerpadla s parním oběhem. Tepelná bilance oběhu : Q N = + [W] o Q k Kde: N příkon kompresoru [W]; Q k tepelný výkon získaný na kondenzátoru [W]. 3
Obr. 2. Jednostupňový parní oběh tepelného čerpadla a) Schéma oběhu; b) Znázornění oběhu v T s diagramu; c) Znázornění oběhu v p i diagramu; d) Průběh teplot ve výparníku; e) Průběh teplot v kondenzátoru. Topný faktor: ε t = Q k N Chladící faktor: Qo = = ε t N ε ch Čerpací poměr: 1 [-] [-] Q Q ϕ k = = 1 + = 1 + = o 1 ε ch 1 ε 1 t ε t ε ch [-] 4
Tepelný tok na výparníku Q o = m. i i [W] Q o ( ) 1 5 Izoentropický příkon kompresoru N ie = [J.kg -1 ] měrná izoentropická práce a ie i 2 i 1 N. ie = m a [W] ie Příkon motoru kompresoru: N N ie N η η. η. η ie = = [W] s t, k p Kde: η s účinnost soustrojí kompresoru [-]; η t,k termodynamická účinnost komprese [-]; η p účinnost převodu [-]; η m účinnost motoru [-]. Výkon na kondenzátoru: Q m. i i 2 4 m ( ) = m. q = m ( q a ) =. k o ie [W] 5
Absorpční tepelné čerpadlo Pracovní látka (chladivo): čpavek Absorbent: voda voda bromid lithný (LiBr) Tepelná rovnováha: Q + Q + N = Q + o v č a Q k [W] Topný faktor: = Q Q a k ε [-] t v + + Q N č Obr. 3. Jednostupňové absorpční tepelné čerpadlo 6
3. Zdroje tepla pro tepelná čerpadla Hlediska pro posouzení zdroje: Energetický potenciál, tj. teplotní hladiny a hmotnostní, resp. objemový tok; Časové relace mezi produkcí a uvažovanou potřebou; Možnosti využití získaného tepelného výkonu; Chemické a fyzikální vlastností teplonosné látky zdroje; Investiční a provozní náklady; Vliv na energetickou bilanci okolí a jeho ekologii. Zdroje pro TČ: 1. Povrchové vody. dostatečná rychlost proudění vody w > 0,75 m.s-1; stojaté vody. 2. Povrchové vrstvy zemské kůry. spodní vody; horizontální zemní výměníky; vertikální zemní výměníky. 3. Venkovní vzduch. 4. Sluneční záření. 5. Geotermální vody. 6. Druhotné teplo. 7
Povrchové vody Obr. 5. Schéma využití tepla z povrchové stojaté vody Obr. 4. Schéma využití tepla z povrchové vody proudící rychlostí w > 0,75 m.s -1. 8
Povrchové vrstvy zemské kůry a) Spodní vody přečerpávání přes výparník, dvě studny, čerpací a vsakovací; b) Horizontální zemní tepelné výměníky využití energie přirozeně akumulované v půdním masivu v letním období, potrubí LDPE, nebo HDPE Ø 40 x 3,7 mm uložené v hloubce 1 1,5m s roztečí 1m, teplonosné médium nemrznoucí směs (-15 C); c) Vertikální zemní výměníky, potrubí LDPE, nebo HDPE uložené ve tvaru U trubice, hloubka vrtu 50 120m i více. Venkovní vzduch - neomezený zdroj; - nenarušuje přirozenou tepelnou rovnováhu; - do výpočtu topného faktoru je nutné započítat příkon ventilátorů; - problém namrzání výparníku, reverzní chod. Sluneční záření - kombinované systémy s vodními slunečními kolektory a TČ; - sluneční kolektory plní 2 funkce (kolektor, zdroj pro výparník). 9
Obr. 6. Schéma využití tepla slunečního záření 1 vodní sluneční kolektory; 2 trojcestný směšovací ventil; 3 tepelnéčerpadlo; 4 akumulační zásobník; 5 otopná soustava, ohřev TV; 6 elektrický dohřev. 4. Monovalentní a bivalentní zapojení tepelných čerpadel - v otopných soustavách využívajících jako zdroje tepla pro TČ venkovní vzduch se většinou dimenzuje tepelný výkon TČ na hodnotu nižší než je topný výkon odpovídající výpočtové venkovní teplotě. - bivalentní otopné systémy mohou být řešeny jako: bivalentně alternativní, v provozu je buď TČ nebo další zdroj; bivalentně paralelní, v provozu je tepelné čerpadlo a současně další zdroj. 10
Obr. 7. Schéma zapojení tepelného čerpadla v bivalentním provozu s kotlem 1 plynový kotel; 2 čtyřcestný směšovací ventil; 3 rozdělovač a sběrač otopného systému; 4 tepelné čerpadlo; 5 elektronický regulátor. 5. Pohony kompresorových tepelných čerpadel - nejčastějším druhem pohonu kompresoru TČ je pohon elektrický. 11
Obr. 8. Schéma toků energie při výrobě elektrické energie a v tepelném čerpadle poháněném elektrickou energií při ε = 4,0 12
Obr. 9. Schéma zapojení tepelného čerpadla poháněného plynovým motorem Obr. 10. Schéma toků energie u tepelného čerpadla poháněného plynovým motorem (ε = 4,0) 13
6. Příklady využití tepelných čerpadel Vytápění Obr. 11. Schéma zapojení tepelného čerpadla při vytápění porodny prasnic se selaty 1 vrtaná studně; 2 tepelnéčerpadlo; 3 akumulační zásobník; 4 podlahový otopný systém; 5,6 prostorový otopný systém; 7 ponorné čerpadlo; 8 oběhové čerpadlo. 14
Ohřev teplé vody pro sociální a technologické účely -požadavky na velikost tepelného výkonu jsou v průběhu roku konstantní; -nebezpečí kontaminace vody pracovní látkou. Toto nebezpečí lze omezit na minimum: a) Vloženým okruhem s teplonosnou látkou (obr. 12); Obr. 12. Schéma zapojení s vloženým okruhem s teplonosnou látkou 1 kondenzátor tepelného čerpadla; 2 tepelné čerpadlo; 3 akumulační zásobník; 4 oběhovéčerpadlo. 15
b) Využitím vhodného chladiva a výměníku (obr.13). teplosměnná plocha oddělující pracovní látku a TV musí být bez jakýchkoliv spojů (sváření, pájení a pod.); materiál teplosměnné plochy musí mít vysokou odolnost proti koroznímu působení vody i pracovní látky; smí se používat jen doporučené pracovní látky např. R 22, R 115, jako maziva pouze oleje které neohrožují spotřebitele. Tato zařízení se používají jako kompaktní nebo systém split. Obr. 13. Schéma kompaktního provedení s tepelným čerpadlem nad zásobníkem 1 kondenzátor tepelného čerpadla; 2 tepelné čerpadlo vzduch - voda; 3 akumulační zásobník. Výhody: - malá půdorysná plocha zařízení; - využití přehřívacího tepla na ohřátí TV. Nevýhody: - pomalý ohřev vody; - nízká teplota prostředí v okolí zásobníku. 16
V systému split TČ tvoří samostatný celek ve kterém ohřívaná TV prochází přímo kondenzátorem a následně je přiváděna do zásobníku, který nemá teplosměnnou plochu. Výhodou systému split je: možnost využít stávajícího, resp. běžného zásobníku TV; možnost umístění TČ odděleně od zásobníku, zásobník může být v teplejších prostorách; regulací průtoku vody kondenzátorem můžeme řídit rychlost ohřevu vody v zásobníku; nucené proudění vody přes výparník zlepšuje podmínky pro přenos tepelného výkonu na straně vody. Obr. 14. Schéma provedení systému split 1 kondenzátor tepelného čerpadla; 2 tepelnéčerpadlo vzduch - voda; 3 akumulační zásobník; 4 oběhové čerpadlo. 17
Obr. 15. Schéma zapojení tepelného čerpadla využívajícího odpadní vody pro ohřev teplé vody 1 septik; 2 sběrné nádrže; 3 rozdělovač a sběrač; 4 tepelnéčerpadlo voda voda; 5 akumulační zásobník; 6 elektrická přímotopná tělesa. 18
Sušení Obr. 16. Schéma využití tepelného čerpadla v komorové sesypné sušárně a) Schéma zapojení systému; b) Znázornění stavů sušícího vzduchu v Mollierově i x diagramu vlhkého vzduchu Ok odvod kondenzátu; Do dohřev vzduchu. 19
Využití druhotného tepla - využití druhotného tepla vznikajícího při chlazení mléka; Obr. 17. Schéma využití druhotného tepla v tepelném čerpadle 1 chlazený sklad; 2 chladící zařízení; 3 trojcestná rozdělovací armatura; 4 chladící věž; 5 akumulační zásobník; 6 tepelné čerpadlo; 7 rozdělovač a sběrač otopného systému. 20