W artykule opisano szczegółowe procedury pracy stanowiska badawczego dla przypadku badań w warunkach znamionowych znormalizowanych B0/ W35 oraz badań mających na celu wyznaczenie poszczególnych punktów charakterystyki wydajności cieplnej pompy ciepła w warunkach znamionowych zastosowania. Artykuł jest kontynuacją tematyki podjętej w numerze 3/2014 Chłodnictwa&klimatyzacji.

Opisane procedury odnoszą się w szczególności do przypadku badania egzemplarza wspomnianej w poprzedniej części pompy ciepła jednak można je w łatwy sposób zmodyfikować na inne urządzenia.

Badania w warunkach znamionowych znormalizowanych B0/W35

W pierwszej kolejności zostały przeprowadzone badania w warunkach znamionowych znormalizowanych. Poniżej przedstawiono zasadnicze etapy badania zrealizowane na stanowisku badawczym wraz z komentarzami w zakresie realizacji:

• uruchomienie układów obciążeń wymiennika wewnętrznego i zewnętrznego pompy ciepła w trybie manualnym – w obu układach następuje przepływ czynnika roboczego na zadanym, stałym poziomie; nie ma regulacji temperatury w trybie automatycznym;
• uruchomienie pompy ciepła w trybie pracy ciągłej – nastawa regulacji wydajności pompy ciepła powinna być tak dobrana, aby nie nastąpiło wyłączenie pompy podczas badań, to znaczy temperatura wylotowa wody powinna być ustawiona na wartość maksymalną;
• uruchomienie pompy spowoduje przejście układów obciążeń cieplnych w tryb regulacji automatycznej;
• w układzie obciążenia cieplnego parownika w trybie regulacji automatycznej jest utrzymywana dolotowa temperatura ziębiwa na poziomie 0°C poprzez zmianę mocy podgrzewacza elektrycznego oraz różnica temperatury pomiędzy wlotem i wylotem ziębiwa na poziomie 3 K poprzez regulację wydatku pompy obiegowej;
• w układzie obciążenia cieplnego skraplacza w trybie regulacji automatycznej jest utrzymywana dolotowa temperatura wody na poziomie 30°C poprzez zmianę otwarcia zaworu na układzie chłodzenia oraz różnica temperatury pomiędzy wlotem i wylotem wody na poziomie 5 K poprzez regulację wydatku pompy obiegowej;
• po osiągnięciu stanu ustalonego są rejestrowane parametry pracy pompy ciepła (pompa ciepła podczas całego pomiaru powinna pracować ze 100% wydajnością);
• w przypadku spełnienia warunków zachowania dopuszczalnych odchyleń wartości mierzonych od wartości zadanych (tab. 3. z pierwszej części) zostaje wyznaczona wydajność cieplna pompy dla warunków znamionowych znormalizowanych;
• wydatki strumienia masy ziębiwa i wody uzyskane po uzyskaniu warunków znamionowych znormalizowanych, w stanie ustalonym, zostają przyjęte jako wydatki znamionowe.

Przy wyznaczaniu parametrów pracy pompy ciepła dla warunków znamionowych znormalizowanych zostały zastosowane odpowiednie parametry badań zgodnie z tabelą 5. Warunki badań dobrano zgodnie z normą PN-EN 14511-2:2011 dla pompy ciepła ziębiwo/woda realizującej funkcję grzania w zakresie niskotemperaturowym.

Wyznaczenie charakterystyki wydajności cieplnej pompy ciepła

(...)

Przykładowe wyniki badań przeprowadzanych na stanowisku

(...)

Badania rozruchowe

(...)

Rys. 8. Widok niezaizolowanego ekonomizera po zamontowaniu dodatkowych portów pomiaru temperatury i ciśnienia

Badania optymalizacyjne wewnętrznej wymiany ciepła w pompie ciepła

Oprócz typowych badań pomp ciepła typu ziębiwo/woda w warunkach znamionowych oprzyrządowanie stanowiska badawczego pozwala na znaczne rozszerzenie zakresu prowadzonych prac. Przykładem mogą tu być prace związane z optymalizacją wewnętrznej wymiany ciepła w badanej pompie ciepła. Pompa ta, w celu poprawy jej efektywności energetycznej, została wyposażona w ekonomizer, który został dobrany zgodnie z programem doborowym producenta sprężarki. Doboru wymiennika wewnętrznego dokonano dla parametrów znamionowych znormalizowanych pracy sprężarki. Dobór taki nie zawsze musi być optymalny ze względu na przewidywany przez producenta pompy ciepła zakres rzeczywistych parametrów pracy pompy. Zasadniczą możliwość poprawy efektywności pracy pompy ciepła upatruje się w intensyfikacji wewnętrznej wymiany ciepła zachodzącej w ekonomizerze współpracującym ze sprężarką śrubową. Z tego względu podjęte zostały dodatkowe badania związane z identyfikacją warunków wewnętrznej wymiany ciepła dla zmiennych parametrów pracy ekonomizera.

W ramach prowadzonych prac podjęto decyzję o umieszczeniu, w obiegu wewnętrznym pompy ciepła, dodatkowych czujników pomiaru ciśnienia i temperatury. Czujniki te zostały umieszczone w obrębie ekonomizera (rys. 8.). Szczegółowe rozmieszczenie punktów pomiarowych ciśnień i temperatury przedstawiono na rysunku 9. Czujniki T.104, T.105, T.106 zostały umieszczone bezpośrednio wewnątrz przewodów instalacji przy wykorzystaniu opracowanych we własnym zakresie króćców przyłączeniowych. Do pomiaru temperatury wykorzystano termoelement w płaszczu o średnicy 1 mm umieszczony bezpośrednio w przepływie. Tak umieszczony czujnik temperatury, pozwala na pomiar temperatury najbardziej zbliżonej do warunków rzeczywistych i oddanie dynamiki pracy urządzenia. Zastosowane rozwiązania pozwolą na precyzyjne określenie warunków wewnętrznej wymiany ciepła w pompie ciepła oraz oporów przepływu występujących po stronie czynnika roboczego, zwłaszcza na linii cieczowej.

Rys. 9. Rozkład punktów pomiaru temperatury i ciśnienia w obrębie pompy ciepła po modyfikacji

Dobrym przykładem przeprowadzonych prac są badania pracy pompy ciepła dla różnych warunków zasilania ekonomizera. Realizacja tego zadania odbywała się poprzez wyłączenie automatycznego trybu pracy zaworu rozprężnego ekonomizera i ustawienie go w odpowiedniej pozycji otwarcia. Badania przeprowadzono dla warunków pracy pompy ciepła typu ziębiwo/woda z wydajnością 100% dla parametrów znamionowych znormalizowanych B0W35. Pomiar przeprowadzono w warunkach ustalonych dla wartości otwarcia zaworu rozprężnego odpowiednio 10%, 20%, 30%, 40%, 50% i 55%. Poniżej przedstawiono rezultaty przeprowadzonych badań (rys. 10.).

Rys. 10. Zależność względnego współczynnika wydajności energetycznej od dochłodzenia cieczy przed parownikiem

Podsumowanie

W obu częściach arytkułu przedstawiono podsumowanie działań związanych z budową i użytkowaniem stanowiska badawczego do badania pomp ciepła. Głównym założeniem przy opracowaniu stanowiska był wymóg spełnienia podczas badań wymagań normy PN-EN 14511. Przeprowadzone testy wykazały, że założenia te zostały zrealizowane. W ramach zrealizowanych prac opracowano szczegółowe procedury badawcze prototypowej pompy, opracowano metodykę analizy błędów pomiarowych, przeprowadzono badania rozruchowe prototypowej pompy ciepła.

Jarosław KARWACKI
Dariusz BUTRYMOWICZ
Tomasz PRZYBYLIŃSKI
Instytut Maszyn Przepływowych PAN, Gdańsk

Rickard OLEJNIK
Piotr STYPUŁA
Sun Energy, Gdańsk

LITERATURA:

1. LACHMAN P.: COP dla pomp ciepła – wartości realne i te niezwykłe z prospektów reklamowych. InstalReporter. Nr 7/2012. ss. 16–19.
2. LEMMON E. W., MCLINDEN M. O., HUBER M. L.: REFPROP. Reference Fluid Thermodynamics and Transport Properties. version 9. 2010. Physical and Chemical Properties Division. National Institute of Standards and Technology. Boulder. USA.
3. MELINDER A.: Thermophysical Properties of Aqueous Solutions Used as Secondary Working Fluids. Doctoral Thesis. Stockholm, Sweden. 2007.

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 04/2014