Termodynamiczne aspekty doboru obiegu porównawczego
Ocena użytkowników: / 1
SłabyŚwietny 
Data dodania: 21.07.2010
Każdy proces projektowania instalacji grzewczej opartej na pompach ciepła rozpoczyna się od założenia temperatur, wyboru czynnika obiegowego i projektu obiegu termodynamicznego. Punktem wyjścia do oceny obiegu realizowanego w pompie ciepła jest przyjęcie równoważnego, odwracalnego obiegu porównawczego i określenie dla niego współczynnika efektywności grzejnej COP. Umożliwia to oszacowanie strat i tym samym zaprojektowanie obiegu optymalnego dla danych wymagań cieplnych obiektu i założonych warunków termicznych [7, 16].

W niniejszym artykule przedstawiono analizę wpływu zmiennych temperatur źródła dolnego i górnego na współczynnik efektywności pompy ciepła. Zaproponowano sposób określania optymalnych wartości temperatur do projektowanego obiegu jak również modyfikacje tradycyjnych procedur doboru obiegu porównawczego.


Podstawowym obiegiem porównawczym dla pomp ciepła jest obieg Carnota. Jest to tzw. obieg idealny, a więc ze wszystkimi przemianami odwracalnymi. Przyczyną szerokiego stosowania obiegu Carnota jako obiegu porównawczego jest fakt, że może on być opisany za pomocą tylko dwóch parametrów intensywnych: temperatury źródła górnego Tg i temperatury źródła dolnego Td, co jest jego ogromną zaletą. Prawidłowy wybór obiegu porównawczego jest niezwykle istotny [4, 8]. Przykładowo, w parowych obiegach sprężarkowych, które są realizowane coraz częściej przy pomocy roztworów (mieszanin) zeotropowych, a szczególnie roztworu azeotropowego np. R407C, R404A, R410A, R507A czy coraz bardziej popularnego R422D [5]. Dla tych roztworów przemiany fazowe parowania i skraplania są izobaryczne, ale nie są izotermiczne. Nieizotermiczność tych przemian, zależna od własności mieszaniny, może sięgać kilkunastu stopni i nazywana jest poślizgiem temperaturowym. Dla tych przypadków, obiegiem porównawczym powinien być obieg odwracalny o zmiennych temperaturach źródeł np. obieg Lorenza [2, 3, 9].

Obiegi idealne mają też swoje niedogodności np. nie uwzględniają wystarczająco dokładnie rzeczywistych przemian realizowanych w pompie ciepła. Dlatego, do celów porównawczych i analitycznych tworzone są inne obiegi, zwane teoretycznymi, zawierające jedną lub kilka przemian nieodwracalnych. Przykładem może być najpopularniejszy obieg lewobieżny obieg Lindego, który w sposób jednoznaczny definiuje stany i przemiany termodynamiczne czynnika obiegowego [4, 9]. Opis i analiza obiegów teoretycznych nie jest już tak prosta jak opis obiegu Carnota. Wymaga szczegółowej znajomości własności czynnika obiegowego oraz uwzględnienia wymienionych założeń jakościowych dotyczących przemian i stanów czynnika w charakterystycznych punktach obiegu. Zawsze jednak do określenia współczynnika COP potrzebne są wyjściowe parametry intensywne w postaci temperatur: skraplania Tk (źródła górnego Tg) i parowania T0 (źródła dolnego Td). Analiza odstępstw od obiegu idealnego wymaga założenia koniecznych do wymiany ciepła różnic temperatur, oceny wartości współczynników opisujących przyczyny nieodwracalności wewnętrznej i pociąga za sobą konieczność przyjęcia szeregu dodatkowych założeń [1, 4].

Każdy projektant ma świadomość, że faktycznie realizowane obiegi w pompach ciepła są tzw. obiegami rzeczywistymi – ze wszystkimi przemianami rzeczywistymi czyli nieodwracalnymi [13, 14], a integralną częścią opisu obiegu rzeczywistego jest opis strat. Adekwatna ocena współczynnika COP takich obiegów wymaga oceny tych strat. Pomimo , że w ich opisie i sposobie formułowania trudno o jednoznaczność [4, 9] to, jak wynika z analizy przyczyn nieodwracalności [13, 14] są one zależne od charakterystycznych temperatur obiegu przyjętych na etapie doboru obiegu porównawczego [6, 9].

Urządzenie grzewcze jakim jest pompa ciepła musi współpracować z zewnętrznymi źródłami ciepła, które mają ograniczoną pojemność cieplną. Na przykład ilość substancji źródeł: wody ogrzewanej w górnym wymienniku ciepła czy ilość pobieranego ciepła od oziębianego gruntu na poziomie źródła dolnego, są ograniczone. Tym samym, w procesie wymiany ciepła pomiędzy czynnikiem obiegowym a zewnętrznymi źródłami ciepła, zachodzi zmiana temperatury źródeł. Niekiedy ta wartość spadku temperatury źródła jest zakładana w postaci ograniczenia projektowego np. dopuszczalny spadek temperatury wody gruntowej czy powierzchniowej [10, 17]. Energię cieplną ze źródła odprowadza się albo do niego doprowadza poprzez wymienniki ciepła. Zakłada się, że procesy wymiany ciepła w wymiennikach odbywają się podczas przemian politropowych (przy p=const i T=const). Zachowanie równowagi termodynamicznej w każdym stanie procesu wymaga jednak zmiany temperatury czynnika roboczego. Nie do zbagatelizowania są też spadki temperatury czynników pośredniczących podczas przemian w wymiennikach, spowodowane spadkami ciśnienia [14].

Wpływ zmian wartości temperatury parowania i skraplania na efektywność COP obiegu idealnego jest znana [11]. Wpływ zmian tych temperatur (nieizotermiczność przemian fazowych), nie jest już tak oczywista [1, 9, 11]. (...)

Rys. 1. Interpretacja przyrostu entropii w wyniku nieodwracalnego procesu wymiany ciepła [6]


Wpływ nieodwracalności procesu wymiany ciepła na wybór obiegu porównawczego pompy ciepła (...)

Optymalny obieg pompy ciepła Przy tradycyjnym założeniu, że temperatury źródeł nie ulegają zmianie, ideowy schemat działania pompy ciepła, w którym może zostać zrealizowany obieg odwracalny przedstawiono na rysunku 2a. Ze środowiska o stałej temperaturze Td, które można nazwać dolnym źródłem ciepła, czynnik roboczy – pobiera pewną ilość energii cieplnej q0, która zostaje odprowadzona do źródła górnego o stałej temperaturze Tg. Na rysunku 2b przedstawiony jest schemat tej samej pompy ciepła jednak z założeniem, że temperatura źródła górnego zmienia się pomiędzy wartościami: Tg1 – wlot do wymiennika i Tg2 – wylot.

Jeżeli uwzględnimy drugą zasadą termodynamiki, to aby nastąpiło przekazanie energii cieplnej od źródła o temperaturze niższej do źródła o temperaturze wyższej lub podniesienie potencjału cieplnego źródła, musi być wykonana praca mechaniczna lub zrealizowany inny proces równoważny pod względem zdolności do wykonywania pracy. Tym samym, aby zrealizowany był obieg lewobieżny, musi być doprowadzona do układu pewna ilość energii z zewnątrz [7], [16].

Z punktu widzenia analizy termodynamicznej najważniejszą informacją jest minimalna wartość tej pracy, która umożliwi uzyskanie zakładanego efektu grzewczego i tym samym realizację optymalnego obiegu. Minimalną pracę obiegu można określić z warunku, że entropia układu złożonego ze źródła dolnego i górnego oraz z czynnika roboczego nie może ulegać zmniejszeniu, a w przypadku obiegu odwracalnego równa jest zeru [9, 15, 16]. (...)

Wnioski

Konkludując, możemy wnioskować, że przyjęcie odwracalnego obiegu Carnota jako porównawczego jest, w wielu przypadkach, teoretycznie nieuzasadnione ze względu na niespełnienie podstawowego założenia: niezmiennych temperatur źródeł ciepła [3, 11, 15].

Różnice najlepiej widać w odwzorowaniu graficznym (rys. 3). Można zauważyć wyraźne zmniejszenie pracy obiegu. W przypadku ogrzewania wody od temperatury otoczenia, jak to ma miejsce w przypadku ogrzewania świeżej wody c.w.u. analizowany obieg porównawczy byłby połową obiegu porównawczego Carnota.

Ideę opisu obiegu termodynamicznego uwzględniającego spadki temperatur substancji źródeł przedstawiono na rysunku 4 (dane do obliczeń zaczerpnięto z przykładu). Każdej chwilowej zmianie temperatury źródeł dolnego Td i górnego Tg można przyporządkować odpowiedni obieg Carnota. Analiza opiera się na założeniu możliwości zastąpienia pojedynczego obiegu Carnota, kolejno trzema, piętnastoma i nieskończoną ilością obiegów.

Można zauważyć, że wzrostowi ilości obiegów Carnota towarzyszy wzrost współczynnika efektywności grzewczej. A zatem dla pompy ciepła współpracującej ze źródłami charakteryzującymi się znacznymi spadkami temperatur przyjęcie zmiennych temperatur źródeł obiegu porównawczego jest termodynamicznie korzystne [9].

LITERATURA

[1] BIAŁKO B., KRÓLICKI Z., MARCZAK A.: Modelowanie współczynnika efektywności (COP) pompy ciepła realizującej transkrytyczny obieg dwutlenku węgla. Inżynieria Chemiczna i Procesowa 2004, tom 25, zeszyt 4, s. 2079- 2088.
[2] BIAŁKO B.: Optymalizacja mieszanin ziębników niedestrukcyjnych dla ozonu w systemach realizujących obiegi lewobieżne. Praca doktorska. Politechnika Wrocławska. ITCiMP I–20. Wrocław 2000.
[3] BIAŁKO B.: The selection and optimization of appropriate proportions for a mixture of propane and isobutene. 21st International Congress of Refrigeration. August 17-22, Washington. DC, USA, 2003.
[4] BOHDAL T., HARUN H., CZAP M.: Urządzenia chłodnicze sprężarkowe parowe. WNT. Warszawa 2003.
[5] BONCA Z., BUTRYMOWICZ D., TARGAŃSKI W., HAJDUK T.: Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. IPPU MASTA. Gdańsk 2004.
[6] BRODOWICZ K., DYAKOWSKI T.: Pompy ciepła. PWN 1990.
[7] CUBE H.L., STEIMLE F.: Wärmepumpen. VDI-Verlag. Dusseldorf 1987.
[8] KRÓLICKI Z.: Termodynamiczne podstawy obniżania temperatur. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. 2006.
[9] KRÓLICKI Z., BIAŁKO B., SCHNOTALE J.: Energetic adventages of Lorenz cycle realization in heat pumps and refrigerating system working with not destructive mixture for ozone layer. Warmeaustausche und erneuerbare Energiquellen. VIII Internationales Sympodium. Szczecin 2000. str. 221-228.
[10] RUBIK M.: Pompy ciepła. Ośrodek Informacji. Technika Instalacyjna w Budownictwie. Warszawa 1999.
[11] SCHNOTALE J., MACZEK K.: Mieszaniny wieloskładnikowe jako ziębniki do realizacji obiegu lewobieżnego. Materiały XVII Zjazdu Termodynamików. Kraków 1999. t. 3, s. 1197.
[12] SCHNOTALE J., MACZEK K.: Zastosowanie mieszanin niedestrukcyjnych dla środowiska w obiegach lewobieżnych. Materiały XV Zjazdu Termodynamików. Gliwice-Kokotek 1993. s. 571.
[13] SZARGUT J., PETELA R.: Egzergia. Warszawa, WINT 1965.
[14] SZARGUT J.: Straty energetyczne w ziębiarce parowej spowodowane oporami przepływu czynnika obiegowego. Chłodnictwo 1/1997.
[15] VENKATARATHANAM G.: The coefficient of performance of an ideal air conditioner. International Journal of Refrigeration 32. 2009. str. 1929-1931.
[16] WARK W., RICHARDS D.: Thermodynamics. McGraw Hill. Boston. Wyd. VI. 1999.
[17] ZALEWSKI W.: Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne, termoelektryczne. IPPU Masta. Gdańsk 2001.
 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2023-2024

  • Pompy ciepła 2021-2022

  • Pompy ciepła 2022-2023

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.