Heat pump concept with two-part condenser
Wstęp
Głównym celem pompy ciepła jest produkcja energii do ogrzewania o możliwie wysokich parametrach [1,2]. Niemniej z uwagi na realizację najczęściej lewo bieżnego obiegu Lindego w typowym skraplaczu przed właściwym procesem skraplania czynnika chłodniczego następuje ochładzanie gorących par czynnika chłodniczego powstałych podczas sprężania gazu chłodniczego w sprężarce. W wyniku tego efektu górny wymiennik ciepła większość swojej powierzchni wymiany ciepła wykorzystuje do ochłodzenia czynnika, natomiast pozostała część realizuje proces kondensacji gazu ochłodzonego do stanu nasycenia. Proces ochładzania gorącego gazu w wymienniku charakteryzuje się dużo mniejszymi współczynnikami przejmowania ciepła w porównaniu z procesem kondensacji, stąd też proces ten wymaga znacznej powierzchni wymiany ciepła, która jest również konieczna dla samego procesu kondensacji. W wyniku takiego przebiegu procesu w jednym urządzeniu określanym jako skraplacz, realizowane są w istocie dwie przemiany, przy czym przemiana skraplania jako bardziej efektywna zajmuje mniej powierzchni wymiennika. Ponadto trudno jest wykorzystać ciepło przegrzanego gazu po sprężarce do celów wymagających wyższych temperatur, natomiast ciepło skraplania do pozostałych celów, gdzie wymagania odnośnie do poziomu temperatury nie są tak rygorystyczne, szczególnie że obydwa procesy zachodzą w jednym urządzeniu i nie można z całą pewnością stwierdzić jaka część wymiennika realizuje jedną z wymienionych przemian. Dlatego powstała idea rozdzielenia tych dwóch procesów i umieszczenia ich w osobnych urządzeniach.
Wymiennik ciepła przegrzania oraz skraplania
Zaletą rozdzielenia procesu skraplania od procesu ochładzania gazu chłodniczego jest możliwość odzysku ciepła o stosunkowo wysokiej temperaturze od gazu po sprężarce i doprowadzenie jego parametrów w pobliże lub na krzywą nasycenia. Pozwala to na zmniejszenie wymiarów skraplacza, przy jednoczesnym optymalnym wykorzystaniu źródła ciepła przegrzania, a później ciepła skraplania dla procesów nie wymagających zbyt wysokich temperatur, np. do ogrzewania lub wentylacji. Na rysunku 1 przedstawiono obieg Lindego realizowany przez pompę ciepła z odrębnymi wymiennikami dla przegrzania i skraplania.
Główna różnica w porównaniu z tradycyjnym obiegiem pompy ciepła polega na wyposażeniu układu w dodatkowy wymiennik ciepła, który ochładza czynnik od wysokiej temperatury po sprężaniu do temperatury równej lub bliskiej temperaturze skraplania (przemiana 2-3 na rys. 1). Przemiana 3-4 odbywa się przy stałej temperaturze czynnika chłodniczego, doprowadzając go do stanu cieczy lekko przechłodzonej [3].
Każdy z czynników chłodniczych wykazuje inne zachowanie jeśli chodzi o wielkość ciepła oddawanego na drodze ochładzania i skraplania. Dla porównania wykonano przykładowe obliczenia wielkości ciepła przegrzania Q1 i ciepła skraplania Q2 dla wybranych czynników chłodniczych: R-134a, R-410A, R-422D, R-717. Dla potrzeb analizy przyjęto jednakowe warunki początkowe dla wszystkich czynników chłodniczych zakładając temperaturę parowania To = 1oC oraz temperaturę skraplania Tskr = 45oC. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 1.
Podano również wymagany strumień czynnika chłodniczego m. Ponieważ wymienniki połączone są szeregowo oznacza to, że ten sam strumień popłynie przez dwa wymienniki, co rzutuje bezpośrednio na wydajność obu wymienników. Inaczej, moc jednego wymiennika określa moc drugiego wymiennika i zależy ona jedynie od rodzaju czynnika chłodniczego i parametrów pracy dolnego i górnego źródła ciepła. Zakładając początkowo indywidualne wydajności cieplne wymienników, należy je w dalszej kolejności skorygować o rzeczywiste zachowanie się układu, co pociąga za sobą sytuację kiedy należy przyjmować przepływ czynnika chłodzącego skraplacz, dla którego wartość ta wychodzi największa a następnie przeliczyć drugi wymiennik. W sytuacji takiej jeden z wymienników będzie przewymiarowany w stosunku do rzeczywistych wymagań wynikających z zapotrzebowania na energię o różnym
Linde circuit of heat pump with two parts condenser
Power of condensing heat exchanger Q2 and superheating heat exchanger Q1
poziomie temperatury (dla c.w. o wysokiej temperaturze oraz c.o. o temperaturze niższej). Jest to sytuacja wymagająca od użytkownika zapewnienia odbioru ciepła dodatkowego wynikającego z różnicy pomiędzy wartością uzyskaną na przewymiarowanym wymienniku ciepła, a projektowym zapotrzebowaniem na ciepło. Można zauważyć, że iloraz ciepła przegrzania i ciepła skraplania przyjmuje różne wartości dla każdego czynnika chłodniczego, stąd też każdy przypadek należy rozpatrywać indywidualnie, ponieważ brak jest widocznych prostych zależności pomiędzy tymi wielkościami. Temperatura po sprężaniu T2 stanowi indykator czynnika chłodniczego pozwalający ustalić przyszłe jego zastosowanie. Ponieważ dla jednego z analizowanych czynników temperatura jest zbyt niska, aby można było przygotować ciepłą wodę o temperaturze np. 55oC, stąd też czynnik taki nie nadaje się do zastosowania w pompach ciepła wytwarzających ciepło dla potrzeb c.w. Biorąc pod uwagę możliwość okresowej dezynfekcji wody w zasadzie tylko amoniak NH3 (R-717) nadaje się do tego celu, natomiast w pozostałych przypadkach należałoby zastosować grzałki elektryczne lub podnieść temperaturę skraplania, co wiąże się z obniżeniem efektywności działania układu poprzez obniżenie współczynnika wydajności grzewczej COP (tab. 1). Ze względów ekonomicznych najlepiej nie dopuszczać do konieczności obniżania COP, niemniej wartości w granicach 3,5 do 4,0 są jeszcze do zaakceptowania [4]
Możliwe aplikacje pompy ciepła z dwoma wymiennikami ciepła górnego
Pompy ciepła mogą działać w zasadzie we wszystkich możliwych z technicznego punktu widzenia gałęziach gospodarki. Na szeroką skalę pompy ciepła znajdują zastosowanie w budownictwie przemysłowym, szczególnie do systemów odzysku ciepła technologicznego, ale również do ogrzewania. W budownictwie mieszkalnym szczególne zastosowanie znajdują jako układy do ogrzewania mieszkań oraz przygotowywania c.w. W budownictwie energooszczędnym oraz w budynkach pasywnych z wentylacją mechaniczną lub klimatyzacją, gdzie istnieje znaczące zapotrzebowanie na energię do ogrzewania dla wentylacji, pompa ciepła jest rozwiązaniem bardzo wszechstronnym – pozwala na wytwarzanie ciepła dla pokrycia wszystkich potrzeb cieplnych budynku oraz umożliwia jednoczesną lub naprzemienną produkcję ciepła lub chłodu dla klimatyzacji. W nowoczesnym
Example of heat pump heat exchanger for condensing and superheating proces in central heating and hot water
budownictwie bardzo często znajdują się instalacje zasilane czynnikiem grzewczym o stosunkowo niskiej temperaturze, jak np. ogrzewanie podłogowe, ścienne, klimatyzacja, a jednocześnie jest konieczność przygotowania c.w., gdzie temperatury powinny być na poziomie znacznie wyższym. Stąd konieczność poszukiwania rozwiązań mających na celu scentralizowanie układu do wytwarzania ciepła i chłodu, najlepiej w jednym kompaktowym urządzeniu. Najczęściej stosowane są tzw. gruntowe pompy ciepła, pobierające ciepło z gruntu za pomocą instalacji dolnego źródła ciepła wykorzystującej niezamarzający czynnik pośredni. Rzadziej, lecz zyskujące coraz większą popularność są pompy ciepła powietrzne, o mniejszej wydajności energetycznej w porównaniu z pompami gruntowymi, niemniej eliminujące konieczność wykonania drogiej inwestycyjnie instalacji dolnego źródła ciepła [5]. Przykład tego typu instalacji bazującej na pompie ciepła z wymiennikiem ciepła przegrzania oraz skraplania przedstawiono na rysunku 2. Pompa ciepła pobiera ciepło z gruntu, następnie dostarcza je do dwóch zasobników ciepła, odpowiednio zasobnika o wysokiej temperaturze (z wymiennika ciepła przegrzania) dla przygotowania c.w. oraz do zasobnika obsługującego system ogrzewania podłogowego oraz wentylacji (z wymiennika ciepła skraplania). Układ zaprojektowano tak, aby pracował z priorytetem c.w. W czasie kiedy produkowana jest ciepła woda zasilana może być początkowo z wymiennika ciepła skraplania i jednocześnie z wymiennika ciepła przegrzania, tj. zasobnik c.w. zasilany jest początkowo „niższą temperaturą”.
Po dogrzaniu wody do niższej temperatury obieg przełącza się za pomocą zaworu trójdrogowego w swoje pierwotne położenie realizując swoją podstawową funkcję – ładując zasobnik dla potrzeb ogrzewania i wentylacji. Dzięki temu możliwy jest stosunkowo krótki okres przygotowywania c.w.
Podobne rozwiązania stosowane są przez producentów nowoczesnych pomp ciepła szczególnie dla potrzeb przygotowania ciepłej wody oraz konieczności okresowej dezynfekcji układu za pomocą wysokiej temperatury.
Wstępna ocena dotycząca efektywności działania skraplacza dwuczłonowego na przykładzie stanowiska badawczego
Głównym celem badania jest ustalenie zależności pomiędzy teoretycznym, a rzeczywistym procesem przekazywania ciepła w wymienniku ciepła przegrzania oraz wymienniku ciepła skraplania dla wybranych czynników chłodniczych. Proces wymiany ciepła w wymienniku ciepła przegrzania zachodzi na skutek odbierania ciepła od wymiennika przez przepływającą wodę lub powietrze, które jest chłodzone w wymienniku. O ile możliwe jest ustalenie teoretyczne wymiarów samego wymiennika, o tyle istnieje uzasadnione pytanie o zachowanie się układu w warunkach rzeczywistych z uwagi na mnogość procesów nieodwracalnych, których trudno uniknąć, a które są kłopotliwe do uwzględnienia w obliczeniach samego wymiennika. Wyjściem z tej sytuacji jest przewymiarowywanie wymienników, na ogół sięgające wartości 20-30% w stosunku do wielkości wynikających z teoretycznych zależności [8]. Stanowisko badawcze ma za zadanie ustalić rzeczywistą długość wymienników w procesie chłodzenia pary przegrzanej i skraplania oraz określić możliwości predykcji ich przyszłych wymiarów na bazie opracowanego modelu teoretycznego i weryfikacji eksperymentalnej. Schemat stanowiska przedstawiono na rys. 4. Głównymi elementami stanowiska są dwa wymienniki ciepła górnego pompy ciepła chłodzone wodą, umieszczone w przeźroczystej rurze. Wymienniki wykonane są z rur miedzianych jako pionowe 3 przewody, w których w odstępach ok. 10 cm umieszczone są na całej wysokości czujniki temperatury.
Wydajność grzewcza stanowiska wnosi ok. 1300 W. Ciepło dla parownika produkowane jest przez grzałkę elektryczną nawiniętą na parownik wykonany w kształcie walca. Na każdym z obiegów wymiennika ciepła skraplania i przegrzania zainstalowano liczniki ciepła umożliwiające określenie rzeczywistych wielkości ciepła jakie są oddawane do czynnika chłodzącego, którym jest woda wodociągowa. Sczytywanie danych pomiarowych odbywa się
Schema of test stage for aumont of heat received from condensing and superheating proces of R-410A
Designed view of measurement test stage of het pump with two-parts condenser
poprzez aplikację producenta mierników, do których podpięte są czujniki temperatury znajdujące się zarówno w układzie pompy ciepła jak i instalacji wodnej chłodzącej oraz z czujników ciśnienia zbierających odczyty z charakterystycznych punków układu chłodniczego. Układ zaprojektowany został dla czynnika chłodniczego R-410A dla przyjętych temperatur dolnego i górnego źródła ciepła na poziomie odpowiednio: temperatura odparowania 5oC i temperatura skraplania 40oC. Całkowita powierzchnia wymiany ciepła dla przegrzania przy założeniu, że będzie on chłodzony wodą wyznaczona została na poziomie 0,34 m2. Wykonano wymiennik składający się z 3 rur miedzianych o średnicy 35 mm i długości każdej z rur 1,5 m. Całość umieszczono w przeźroczystym płaszczu wodnym z rury PVC o średnicy 100 mm. Identyczny wymiennik wykonano dla ciepła skraplania. Całe stanowisko umieszczono na stelażu aluminiowym o wymiarach 0,8 x 0,8 m. Po sprężarce, gorący czynnik chłodniczy przepływa do wymiennika ciepła przegrzania, gdzie przepływ wody chłodzącej ustalany jest na takim poziomie, aby uzyskać najniższą temperaturę równą temperaturze skraplania. Następnie czynnik chłodniczy ochłodzony do stanu nasycenia przepływa do kolejnego wymiennika ciepła skraplania, gdzie proces oddawania ciepła do wody chłodzącej odbywa się przy stałej temperaturze. Wielkość stałej temperatury w wymienniku ciepła skraplania oznacza wartość temperatury skraplania procesu rzeczywistej wymiany ciepła i ta wartość stanowi o końcowej temperaturze poprzedniego procesu zachodzącego w wymienniku ciepła przegrzania. Jest to pomiar wymagający ciągłej korekty zarówno momentu końca procesu w wymienniku ciepła przegrzania na podstawie temperatury skraplania zmierzonej w wymienniku ciepła skraplania [6]. Poziom odpowiedniej temperatury uzyskuje się poprzez regulację strumienia wody przepływającej przez wymienniki. Widok poglądowy stanowiska przedstawiono na rysunku 5. Największym elementem stanowiska są dwa wymienniki ciepła górnego chłodzone wodą. Obok sprężarki znajduje się zbiornik na wodę z odpływu z wymienników ciepła przegrzania oraz skraplania, skąd jest ona wypompowywana przez pompę pływakową do systemu kanalizacji budynku. Stanowisko znajduje się w fazie testowania poprawności jego działania i regulacji oraz opracowywania szczegółowego harmonogramu, programu pomiarowego. Problemem może być utrzymanie stabilnych warunków pomiarowych w trakcie badań z uwagi na zmienne parametry powietrza w pomieszczeniu, zmienne napięcie zasilania, które wpływa na moc spirali grzejnej nawiniętej na parownik i konieczności ciągłej regulacji tego elementu pompy ciepła. Ponadto układ stabilizuje się po czasie ok 3-4 godzin i dopiero po tym okresie możliwy jest odczyt wielkości pomiarowych. Dane z układu są uzyskiwane dzięki zainstalowanym czujnikom temperatury oraz ciśnienia i przekazywane przez układy firmy Apator do układów RS. Na podstawie zbieranych wyników możliwe jest przeprowadzanie obliczeń niezbędnych wielkości fizycznych (entalpia, entropia) bazując na równaniu gazów Martina-Hou – wykorzystywane jest w tym celu oprogramowanie firmy Solvay pod nazwą Solkane. Następnie na ich podstawie można określić wielkości energetyczne obiegu, jak np. współczynnik wydajności grzewczej COP.
Podsumowanie
Pompy ciepła, w których możliwe jest odzyskiwanie w sposób zorganizowany ciepła przegrzania po sprężaniu gazu, stosowane są stosunkowo często, szczególnie przy większych instalacjach i pompach dwustopniowych z dwiema lub większą liczbą sprężarek. Pełnią wówczas funkcję chłodnicy międzystopniowej czynnika chłodniczego, stanowiąc nie tylko źródło ciepła o względnie wysokiej temperaturze, ale przede wszystkim pozwalają na obniżenie wielkości energii niezbędnej do sprężania. W zaproponowanym rozwiązaniu pompy ciepła jednostopniowej wymiennik w postaci skraplacza jest rozdzielony z uwagi na specyfikę procesu zachodzącego podczas oddawania ciepła. Rozdzielenie procesu przegrzania pary czynnika chłodniczego od procesu skraplania umożliwia efektywne wykorzystanie pompy ciepła do wytwarzania ciepła o różnych poziomach temperatur, co może przyczynić się do popytu na tego typu rozwiązania w budownictwie energooszczędnym [7].
Szczególne miejsce zajmują rozwiązania pomp ciepła w budownictwie mieszkaniowym, które są w stanie przygotować ciepłą wodę o wymaganej przepisami temperaturze bez konieczności dogrzewania grzałkami elektrycznymi, a często umożliwiają krótkotrwałe podwyższenie temperatury czynnika grzewczego do poziomu wymaganego podczas dezynfekcji układu c.w. Dokładne poznanie zachowania w warunkach rzeczywistych czynnika chłodniczego realizującego przemiany w wymiennikach ciepła przegrzania i skraplania stanowi istotny obszar badań, szczególnie w aspekcie wielkości samych wymienników, a szczególnie z uwagi na wielość nowych czynników chłodniczych wprowadzanych na rynek pod kątem konieczności dostosowania się do wymagań UE w zakresie ochrony środowiska.
L I T E R AT U R A
[1] Chua K.J., Chou S.K., Yang W.M., Advances in heat pump systems: A review. Applied Energy, 87, 2010, p. 3611-3624.
[2] Rabczak S., Proszak-Miąsik D. ”Effect of the type of heat sources on carbon dioxide emission”, Journal of Ecological Engineering, vol. 17, issue 5, pp. 186-191, (2016)
[3] Rabczak S., Termiczne równania stanu w analizie nowych czynników chłodniczych, Rozprawa doktorska, Wydział Inżynierii Środowiska, Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, 2007.
[4] Staniszewski D., Targański W., Odzysk ciepła w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych, IPPU MASTA Gdańsk, 2007;
[5] Rubik M., Pompy ciepła. Poradnik, Technika cieplna w budownictwie, Warszawa 2006;
[6] M. Mironowicz, M., N. Szmolke, D. Skoruppa, Rozwiązania dolnych źródeł ciepła dla pomp ciepła, INSTAL, nr 10, 2014, s. 10-15
[7] Zalewski W., Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne, IPPU MASTA Gdańsk, 2001;
[8] Rosiński M., Odzyskiwanie ciepła w wybranych technologiach inżynierii środowiska, Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, 2012;