Odzysk ciepa skraplania i ciepla przegrzania - specjalnoscchk.odt.pl
Odzysk ciepa skraplania i ciepla przegrzania - specjalnoscchk.odt.pl
Odzysk ciepa skraplania i ciepla przegrzania - specjalnoscchk.odt.pl
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Politechnika Gdańska<br />
Chłodnictwo<br />
Temat: <strong>Odzysk</strong> ciepła <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> i ciepła <strong>przegrzania</strong> oraz<br />
jego wpływ na działanie urządzenia chłodniczego<br />
wykonali : Kamil Kaszyński<br />
Wojciech Kątny<br />
wydział : Mechaniczny<br />
data: 01.04.2008
Wstęp:<br />
W dzisiejszych czasach jesteśmy zmuszeni do poszukiwania nowych źródeł energii.<br />
Wpływa na to wiele czynników, z których chyba najwaŜniejszy to chęć produkowania czystej<br />
energii, ograniczającej emisję toksycznych związków chemicznych do atmosfery. Drugim<br />
powodem zwiększonego zainteresowania produkcją tego typu energii jest na pewno chęć<br />
pozyskiwania alternatywnych źródeł energii ze względu na zmniejszającą się ilość, a co za<br />
tym idzie wzrost cen tradycyjnych nośników energii (np. ropa naftowa, węgiel kamienny).<br />
I tak teŜ, jedną z moŜliwości wychodzących naprzeciw tym oczekiwaniom jest odzysk<br />
ciepła z urządzeń chłodniczych, którym jest ciepło <strong>przegrzania</strong> spręŜonych par czynnika oraz<br />
ciepło ich <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong>.<br />
Przebieg oddawania ciepła przez czynnik chłodniczy:<br />
Aby obniŜyć temperaturę środowiska chłodzonego poniŜej temperatury otoczenia i<br />
utrzymać tą temperaturę na odpowiednio niskim poziomie, naleŜy odbierać od środowiska<br />
chłodzonego (w parowniku) odpowiednią ilość ciepła q 0 . Zgodnie z teorią spręŜarkowych<br />
parowych obiegów chłodniczych naleŜy przy tym wykonać pracę napędową spręŜarki. Do<br />
otoczenia (poprzez skra<strong>pl</strong>acz) oddawane jest ciepło skra<strong>pl</strong>anie q k równe sumie ciepła<br />
odebranego ze środowiska chłodzonego q 0 oraz pracy napędowej.<br />
W owym skra<strong>pl</strong>aczu najpierw odbierane jest ciepło <strong>przegrzania</strong> par czynnika, którego<br />
wartość moŜna określić jako q kp =h(2)-h(2’).Para czynnika o parametrach pkt.2’ na wykresie<br />
jest parą suchą nasyconą o temperaturze t (k). Dopiero po osiągnięciu tego stanu rozpoczyna<br />
się właściwe skro<strong>pl</strong>enie par czynnika chłodniczego. Wartość właściwą ciepła <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong><br />
moŜemy określić jako q k’ =h(2’)-h(3). w punkcie 3 mamy do czynienia z ciekłym czynnikiem<br />
o temperaturze t(k).Zwykle w skra<strong>pl</strong>aczu ma miejsce równieŜ dochłodzenie ciekłego czynnika<br />
do temperatury t(d) odbierając przy tym ciepło dochłodzenia q d .
Całkowita ilość ciepła odebranego od czynnika chłodniczego w skra<strong>pl</strong>aczu jest sumą ciepła<br />
<strong>przegrzania</strong> par czynnika, ciepła właściwego <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> oraz ciepła dochłodzenie ciekłego<br />
czynnika, zatem:<br />
q k =q kp +q k’ +q d<br />
Sposoby realizacji odzysku ciepła:<br />
W zaleŜności od <strong>pl</strong>anowanego zakresu odzysku ciepła z instalacji chłodniczej, moŜna<br />
wyróŜnić dwa sposoby jego realizacji:<br />
• częściowy odzysk ciepła( jako źródło uŜytecznej energii odpadowej wykorzystuje się<br />
tylko ciepło <strong>przegrzania</strong> par czynnika chłodniczego)<br />
• całkowity odzysk ciepła ( jako źródło uŜytecznej energii odpadowej wykorzystuje się<br />
równieŜ ciepło <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> par czynnika chłodniczego)<br />
Całkowity odzysk ciepła <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong><br />
<strong>Odzysk</strong> ciepła obejmuje całkowite ciepło <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> q k łącznie z ciepłem <strong>przegrzania</strong><br />
q kp oraz ciepłem dochłodzenia q d (jeŜeli dochłodzenie jest realizowane). W instalacji<br />
chłodniczej znajduje się płytowy skra<strong>pl</strong>acz wodny, który umieszczony jest równolegle (rys.1)<br />
do skra<strong>pl</strong>acza powietrznego(wykorzystywanego podczas pracy poza sezonem grzewczym)<br />
lub szeregowo(rys.2) przed skra<strong>pl</strong>aczem powietrznym. JeŜeli mamy stuprocentowa pewność,<br />
Ŝe zapotrzebowanie na ciepło z odzysku występować będzie zawsze, wówczas moŜna w ogóle<br />
zrezygnować z zastosowania skra<strong>pl</strong>acza powietrznego (rys3).<br />
rys.1) Umieszczenie równoległe płytowego skra<strong>pl</strong>acza wodnego(wymiennika)<br />
rys.2) Umieszczenie szeregowe płytowego skra<strong>pl</strong>acza wodnego(wymiennika)
ys.3)Brak stosowania skra<strong>pl</strong>acza powietrznego<br />
Charakterystyki poszczególnych połączeń:<br />
a)równoległe umieszczenia płytowego skra<strong>pl</strong>acza wodnego(wymiennika):<br />
• wymaga stosowania zaworów regulacyjnych sterujących przepływem strumienia<br />
czynnika chłodniczego do odpowiedniego skra<strong>pl</strong>acza;<br />
• zalecane jest stosowanie zaworów zwrotnych zapobiegających ucieczce czynnika do<br />
niepracującego skra<strong>pl</strong>acza<br />
• poza sezonem grzewczym strumień czynnika nie przepływa przez skra<strong>pl</strong>acz wodny<br />
(mniejsze straty wynikające z oporów przepływu).Jest to duŜa zaleta.<br />
• przy zastosowaniu odpowiednich zaworów regulacyjnych istnieje moŜliwość<br />
dokonywania rozdziału strumienia czynnika chłodniczego oraz częściowy odzysk<br />
ciepła <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong><br />
• sterowania zaworami regulacyjnymi moŜe być realizowany w sposób ręczny(ręczne<br />
zawory odcinające), półautomatyczny (zawory elektromagnetyczne sterowane ręcznie)<br />
lub automatyczny(np. termostaty)<br />
b)szeregowe umieszczenie płytowego skra<strong>pl</strong>acza wodnego(wymiennika):<br />
• upraszcza sterowanie odzyskiem(praca układu moŜliwa niemal bez Ŝadnej<br />
automatyki)<br />
• naleŜy zastosować odpowiednio duŜy zbiornik czynnika chłodniczego(w sezonie<br />
grzewczym skra<strong>pl</strong>acz powietrzny jest zalany ciekłym czynnikiem w sezonie letnim<br />
czynnik ciekły ze skra<strong>pl</strong>acza powietrznego musi zmieścić się w zbiorniku)<br />
• występują straty oporu przepływu parowego czynnika chłodniczego przez wymiennik<br />
do odzysku ciepła w okresie poza sezonem grzewczym<br />
c)brak stosowania skra<strong>pl</strong>acza powietrznego:<br />
• znaczne obniŜenie kosztów urządzenia chłodniczego(brak drogiego skra<strong>pl</strong>acza<br />
powietrznego znaczne uproszczenie instalacji)<br />
• stosowany tylko wtedy gdy mamy stuprocentową pewność, Ŝe zapotrzebowanie na<br />
ciepło z odzysku będzie występowało stale<br />
• niebezpieczeństwo, Ŝe urządzenie chłodnicze nie będzie mogło pracować, jeŜeli<br />
odbiór ciepła ustanie lub nawet zostanie ograniczony<br />
• stosowane tam gdzie, wartość ciepła odzyskiwanego z urządzenia chłodniczego jest<br />
znacznie niŜsza od zapotrzebowania na nie i występuje ciągła konieczność uŜywania<br />
dodatkowych źródeł ciepła.
Ograniczenie podczas całkowitego odzysku ciepła <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong><br />
Ograniczeniem tym jest fakt ze maksymalna temperatura ,do której moŜna podgrzać<br />
wodę czasami nie jest dostatecznie wysoka. Jej wartość moŜe się tylko zbliŜać lub bardzo<br />
nieznacznie przekroczyć wartość temperatury <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong>(rys.4).<br />
Pełny odzysk ciepła <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> jest moŜliwy przy ograniczeniu temper. wody do ok. 45-50 C.<br />
Temperatura ta wystarczy dla układów ogrzewania niskotemperaturowego(np. podłogowego).<br />
W innych przypadkach wymagane jest dogrzewania wody po wyjściu ze skra<strong>pl</strong>acza do<br />
odzysku ciepła. Jest to jednak i tak opłacalne, gdyŜ znaczna część ciepła pochodzi z odzysku.<br />
Częściowy odzysk ciepła w obszarze pary przegrzanej<br />
rys4.<br />
NajwyŜszą opłacalność i najmniejsze nakłady inwestycyjne uzyskuje się wtedy gdy<br />
zapotrzebowanie na ciepło moŜna zapewnić wykorzystując tylko ciepło <strong>przegrzania</strong> gorących<br />
par czynnika chłodniczego. W metodzie tej stosuje się desuperheatory, w których nie<br />
występuje ograniczenie maksymalnej temperatury wody po podgrzaniu. Maksymalna<br />
temperatura jest tylko nieco niŜsza od temperatury na wlocie czynnika chłodniczego. Poprzez<br />
taki odzysk ciepła moŜna uzyskiwać temperaturę wody rzędu 80 C(dla czynnika R22) lub<br />
nieco niŜsze (dla czynnika R404a, R407c).Takie wysokie temperatury wody moŜna<br />
uzyskiwać podczas pracy przy niskiej temperaturze <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong>. Wydajność chłodnicza jest<br />
wtedy wyŜsza a urządzenie zuŜywa mniej energii.<br />
Desuperheatery są to wymienniki płytowe, które odbierają ciepło jedynie w obszarze<br />
pary przegrzanej, pozostawiając sam proces <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> skra<strong>pl</strong>aczowi właściwemu. <strong>Odzysk</strong>owi<br />
podlega jedynie ciepło <strong>przegrzania</strong>, więc za desuperheatorem naleŜy umieścić drugi<br />
wymiennik który będzie spełniał funkcje skra<strong>pl</strong>acza(np. skra<strong>pl</strong>acz powietrzny) (rys.5).<br />
Desuperheater równieŜ moŜna zastosować w połączeniu z płytowym skra<strong>pl</strong>aczem wodnym,<br />
takŜe spełniający funkcje odzysku(rys.6) . W takim połączeniu moŜna uzyskać np. dwa<br />
osobne strumienie ciepłej wody róŜniące się temperaturą.
ys.5)Umieszczenie desuperheatera<br />
rys.6) Połączenie desuperheatera z płytowym skra<strong>pl</strong>aczem wodnym.<br />
Wadą desuperheatera jest ograniczenie ilości ciepła odzyskiwanego do 15-20%<br />
wartości całkowitego ciepła <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong>. Wiec stosuje je się w urządzeniach o średniej i<br />
wyŜszej wydajności.<br />
Sposoby magazynowania odzyskiwanego ciepła <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong>:<br />
Pobór ciepłej wody nie jest ciągły, zazwyczaj potrzebujemy ją w jakiejś określonej<br />
porze, w takim przypadku naleŜy stosować zbiorniki do magazynowania nadmiaru ciepłej<br />
wody(tzw. zbiorniki buforowe), co pozwala pobieranie ciepłej wody wtedy gdy zachodzi taka<br />
potrzeba.<br />
Zbiorniki wody uŜytkowej zazwyczaj produkowane są w kilku wykonaniach:<br />
• podgrzewacze wody uŜytkowej z przyłączami kołnierzowymi do<br />
zainstalowania kilku wymienników odbierających ciepło <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong>;<br />
• podgrzewacz wody z wbudowanym wymiennikiem ciepła<br />
• zbiorniki wody uŜytkowej bez wbudowanych wymienników ciepła,<br />
przystosowane do podłączenia wymienników zewnętrznych
Sposoby wykorzystania ciepła odpadowego:<br />
Odpadowe ciepło <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> w urządzeniach chłodniczym moŜemy wykorzystać na<br />
bardzo wiele sposobów:<br />
Do najczęściej spotykanych naleŜą:<br />
• ogrzewanie wody w układach ogrzewania pomieszczeń,<br />
• ogrzewanie wody do celów uŜytkowych (np. do mycia)<br />
• ogrzewanie wody do celów technologicznych (np. wykorzystywanej w piekarniach)<br />
• ogrzewanie mieszanek glikolowych do układów zabezpieczających podłogi chłodni<br />
przed przemarzaniem.<br />
Wpływ odzysku ciepła na działanie urządzenia chłodniczego.<br />
Aby zobrazować wpływ zmiany warunków pracy skra<strong>pl</strong>acza na działanie urządzenia<br />
chłodniczego w analizie najpierw zostanie oceniona ilość ciepła, jakie moŜna uzyskać<br />
wykorzystując ciepło <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> i ciepło <strong>przegrzania</strong> gorących par czynnika chłodniczego dla<br />
warunków nominalnych pracy urządzenia chłodniczego. Następnie analiza będzie dotyczyła<br />
skutków, jakie powoduje zmiana nominalnej temperatury <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> o 15K.<br />
Do analizy przyjęto następujące dane:<br />
Czynnik dla którego przeprowadzono analizę: R134a.<br />
Analiza dotyczy podgrzania wody od temperatury 10 0 C do 55 0 C.
Przyjęto wskaźnik strat na poziomie 20%. Tak więc uŜyteczna wydajność grzewcza<br />
wyniesie:<br />
Stosunek ciepła <strong>przegrzania</strong> do <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> wynosi:<br />
Wydajność grzewcza procesu <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong>:<br />
Wydajność grzewcza <strong>przegrzania</strong>:<br />
Podgrzanie wody zachodzić bezie w dwóch etapach. Pierwszy etap, to podgrzanie<br />
wody od temperatury 10 0 C do temperatury 40 0 C, wykorzystując wydajność grzewcza procesu<br />
<strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong>. Drugi etap, to podgrzanie wody od temperatury 40 0 C do 50 0 C.<br />
Tak więc w pierwszym etapie otrzymamy następującą ilość podgrzanej wody:<br />
W drugim etapie:<br />
Zatem w ciągu godziny otrzymamy 1948l wody o temperaturze 500C.<br />
Aby uzyskać taka ilość wody urządzenie musi pracować:<br />
Przyjmując Ŝe spręŜarka będzie pracować 16 godzin dziennie, w tym czasie moŜna<br />
uzyskać:
Podniesienie temperatury <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> o 15K ma na celu osiągnięcie wyŜszej temperatury<br />
końcowej podgrzewanej wody uŜytkowej lub uzyskanie korzyści z lepszego wykorzystania<br />
ciepła <strong>przegrzania</strong> czynnika w odniesieniu do ciepła <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong>.<br />
W celu wyznaczenia ilości ciepłej wody uŜytkowej załoŜono te same warunki i zasady<br />
dla temperatury <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> 40 0 C, jaki i dla 55 0 C.<br />
PodwyŜszenie temperatury <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> wpływa niekorzystnie na charakterystyczne<br />
wielkości obiegu chłodniczego. Samo podwyŜszenie tk bez zmiany wydajności objętościowej<br />
spręŜarki, powoduje duŜy spadek jej wydajności chłodniczej w granicach 25%. Ponadto,<br />
wzrasta zuŜycie energii przez spręŜarkę od 3% do 18%. Współczynnik wydajności<br />
chłodniczej teŜ maleje o ok. 30%. Jedyną zaletą takiej zmiany moŜe być to, Ŝe wzrasta ciepło<br />
<strong>przegrzania</strong> dzięki któremu moglibyśmy uzyskać więcej ciepła z przegrzewu czynnika<br />
chłodniczego oraz wyŜsza temperaturę końcową ciepłej wody uŜytkowej.<br />
Skutkiem ubocznym moŜe być mniejsza Ŝywotność spręŜarki chłodniczej w wyniku<br />
pracy przy podwyŜszonych parametrach.
Aby urządzenie miało pracować z taka samą wydajnością chłodniczą, wówczas<br />
naleŜałoby zwiększyć objętość spręŜarki.<br />
Zmianie ulegną następujące wielkości charakterystyczne:<br />
-wydajność objętościowa spręŜarki doskonałej<br />
-rzeczywista wydajność masowa<br />
-teoretyczne zapotrzebowanie mocy napędowej<br />
-wydajność cie<strong>pl</strong>na skra<strong>pl</strong>acza<br />
Porównanie obliczeń podstawowych wielkości charakteryzujących analizowany obieg<br />
chłodniczy dla czynnika R 134a<br />
Porównanie obliczeń ilości ciepła i ilości ciepłej wody, jakie moŜna uzyskać z<br />
analizowanego urządzenia chłodniczego dla czynnika R 134a.<br />
PodwyŜszenie temperatury <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> przy zachowaniu stałej wydajności chłodniczej<br />
urządzenia powoduje wzrost wydajności objętościowej spręŜarki o ok. 33%, co wpływa na<br />
zwiększenie mocy napędowej średnio o 45%. Taki wzrost wydajności spręŜarki powoduje<br />
niewielkie zwiększenie wydajności cie<strong>pl</strong>nej skra<strong>pl</strong>acza o ok. 10%.<br />
Utrzymanie wydajności chłodniczej na stałym poziomie powoduje wzrost ilości<br />
uzyskiwanej ciepłej wody uŜytkowej.
Zmiany charakterystycznych wielkości obiegu chłodniczego w wyniku zmiany<br />
temperatury <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong>.<br />
Skutki zmiany temperatury <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> na ilość uzyskiwanej ciepłej wody uŜytkowej.<br />
Aby podjąć decyzję dotycząca podwyŜszenia temperatury <strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> w urządzenie,<br />
konieczne jest przeprowadzenie analizy wszystkich parametrów jego pracy i stwierdzenie, czy<br />
mimo niekorzystnych warunków działania urządzenia, celowe będzie podwyŜszenie tk po to<br />
,aby końcowa temperatura wody nie wymagała dalszego podgrzewania.<br />
Przedstawiona wyŜej analiza pozwala stwierdzić Ŝe podwyŜszenie temperatury<br />
<strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> powoduje:<br />
-wzrost poboru mocy napędowej spręŜarki
-spadek wydajności chłodniczej urządzenia przy stałej wydajności objętościowej<br />
spręŜarki<br />
-spadek wydajności cie<strong>pl</strong>nej skra<strong>pl</strong>acza przy stałej wydajności objętościowej spręŜarki<br />
-wzrost wydajności cie<strong>pl</strong>nej skra<strong>pl</strong>acza przy zachowaniu stałej wydajności chłodniczej<br />
urządzenia<br />
-wzrost temperatury końca spręŜania<br />
Wynika stąd, Ŝe aby uzyskać ciepłą wodę „ za darmo”, naleŜy wykorzystywać ciepło<br />
<strong>skra<strong>pl</strong>ania</strong> przy nominalnych parametrach urządzenia chłodniczego.<br />
Bibliografia:<br />
Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna