Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Przegląd pomp ciepła Alternatywne Źródła Energii Wykłady współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach EFS, UDA-POKL 04.01.02.-00-137/11-00 Absolwent.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Przegląd pomp ciepła Alternatywne Źródła Energii Wykłady współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach EFS, UDA-POKL 04.01.02.-00-137/11-00 Absolwent."— Zapis prezentacji:

1

2 Przegląd pomp ciepła Alternatywne Źródła Energii Wykłady współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach EFS, UDA-POKL /11-00 Absolwent Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej – inżynier z przyszłością. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ SPOŁECZNY Lewandowski Witold

3 Pompa ciepła sama nie jest źródłem energii, umożliwia natomiast konwersję niskotemperaturowej energii promieniowania słonecznego, gromadzonej w gruncie, powietrzu lub w wodzie, w energię użyteczną cwu lub co w budynkach.

4 Historia pomp ciepła 1852 r. - W. Thomson (lord Kelwin) opracował teorię i zasadę działania pompy ciepła r. - w Balsbergu w Niemczech powstała pierwsza pompa r. - w Szwajcarii pompą zatęża- no roztwór NaOH w farbiarni r. – T.G.N. Haldane pompą ogrzewał dom r. - w Zurichu pompą ciepła ogrzewano ratusz r. - w Zurichu pompę ciepła ogrzewano Politechnikę. William Thomson Lord Kelvin

5 Pompa – urządzeniem cieplnym W ujęciu termodynamicznym praca typowych pomp ciepła, na tle poziomów energetycznych, wyrażonych temperaturami dolnego i górnego źródła ciepła oraz otoczenia jest zbliżono do pracy chłodziarki i silnika.

6 Podział pomp ciepła sprężarkowa z czynnikiem jednoskładnikowym, sprężarkowa z czynnikiem dwuskładnikowym, absorpcyjna, absorpcyjny transformator ciepła, resorpcyjna napędzana energią mechaniczną, resorpcyjna wykorzystująca sprężanie oparów, sprężarkowa z obiegiem gazowym, sprężarkowa z otwartym obiegiem powietrznym, chemiczny transformator ciepła, wykorzystująca efekt Ranque'a, wykorzystująca efekt elektrodyfuzji, termoelektryczna, magnetyczna i inne.

7 Budowa i zasada działania sprężarkowej pompy ciepła Dolne źródło ciepła dźc 13 o C 40 o C 10 o C 3oC3oC 60 o C QgQg L Parownik Skraplacz Zawór rozprężny Sprężarka 20 o C Górne źródło ciepła gźc QdQd

8 Współczynnik efektywności pompy ciepła QdQd QgQg L Parownik Skraplacz Sprężarka Efektywność pierwszych pomp ciepła była niewielka i wynosiła ok. 2. Współczesne sprężarkowe pompy ciepła mają współczynnik efektywności znacznie wyższy np.: = 5,6 dla t d = 10 o C i t g = 35 o C, a pompa w oczy- szczalni ścieków w Łodzi nawet = 6,4.

9 Pompa ciepła sprężarkowa z czynnikiem jednoskładnikowym skraplacz parownik QgQg QdQd Schemat T s K Termodynamiczne przemiany zachodzące w tej pompie, przedstawione na rysunku w układzie T, s, są teoretycznym obiegiem Lindego. Punkt K określa punkt krytyczny. Para czynnika 1 sprężana jest od stanu 1 do 2 wpływa do skraplacza, gdzie konden- suje przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W tym górnym źródle ciepła wydziela się wysokotemperaturowe ciepło Q g. Ciecz 3, po rozprężeniu w zaworze, jako mieszanina dwufazowa 4, wpływa do paro- wnika i w warunkach p, T = const. pobiera niskotemperaturowe ciepło Q d parując 1.

10 Pompa ciepła sprężarkowa z czynnikiem dwuskładnikowym T s T s * 1 pdpd pgpg K 4 3 3' 2* 2' 2 1 skraplacz parownik Pary czynnika 1, po sprężeniu 2, ulegają schłodzeniu do pojawienia się pierwszych kropel, stan 2'. Kondensacja mieszaniny 2* trwa aż do zaniku ostatnich pęcherzy pary 3'. Skroplona ciecz 3, po rozprężeniu w zaworze, w postaci pary i cieczy 4 wpływa do parownika, gdzie zamienia się w parę 1. Obieg ten (rys. gór- ny) i jest bliższy ideal- nemu obiegowi Loren- za (rys. dolny) i w związku z tym jest bardziej sprawny niż obieg Lindego z poprzedniej pompy.

11 Czynniki pomp sprężarkowych Najczęściej są to freony, które zgodnie z zaleceniami ISO mają następujące skróty nazw: CFC chlorofluorowęglowodory (chlorofluorocarbons); pod skrótem tym kryją się węglowodory, w których wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami chloru i fluoru. HCFC wodorochlorofluorowęglowodory (hydrochloro- fluorocarbons); jest to grupa węglowodorów, w których część atomów wodoru została podstawiona atomami chloru i fluoru. HFC hydrofluorowęglowodory (hydrofluorocarbons); są to węglowodory zawierające tylko atomy wodoru i fluoru.

12 Oznaczenia freonów Zgodnie z obowiązującą normą DIN 8962, związki CFC, HCFC i HFC oznacza się kodem literowocyfrowym, gdzie: pierwsza litera (R) oznacza czynnik chłodniczy, pierwsza cyfra od prawej określa liczbę atomów fluoru, druga cyfra od prawej oznacza: liczbę atomów wodoru + 1, trzecia cyfra od prawej określa: liczbę atomów węgla – 1, litera (B) i cyfra oznaczają brom i liczbę jego atomów, liczbę atomów chloru jest resztą i można ją wyliczyć. Przykładowo R12 ma: 2 atomy F, 1 1 = 0 atomów H, 0+1=1 atomów C, Br nie ma, więc liczba atomów chloru wynosi 420 = 2, co odpowiada wzorowi CF 2 Cl 2. R22 odpowiada wzór chemiczny CHF 2 Cl.

13 Absorpcyjne pompy ciepła W pompach absorpcyjnych kompresja czynnika odbywa się termicznie. W układzie przepływają dwa czynniki nisko- i wysokoprężny (np.: NH 3 –H 2 O, LiBr – H 2 O, LiBr – MetOH...) skraplacz parownik QgQg QdQd Q ab Q des 2 5' 6' 7 absorber desorber P pompa 4 NH 3 g+c 1 NH 3 g NH 3 g 9 H 2 O c+g 8 H 2 Oc 3 NH 3 c 6 (NH 3 +H 2 O)c+g 5 (NH 3 +H 2 O)c Są w nich po dwa dolne i górne źródła ciepła: desorber NH 3 I dźc, skraplacz II gźc, parownik II dźc, a absorber NH 3 jest I gźc. 5, 6 mieszaniny dwu- fazowe i dwusładni- kowe 5 ciekła mieszanina (roztwór bogaty) 8 ciekły sorbent (roz- twór ubogi) 6, 9 mieszaniny pary i cieczy

14 Stany termodynamiczne pompy absorpcyjnej Wyidealizowane stany czynnika w układzie T, s po karnotyzacji rozkłada- ją się na dwa obiegi: obieg silnika ciepl- nego (5, 6, 7, 8), w którym ciepło za- mieniane jest w pracę i obieg pompy właściwej (1, 2, 3, 4), w której zachodzi sprężanie i przepływ czynnika. Termodynamiczne obiegi w absorpcyjnej pompie ciepła, ale w układzie p, T mają postać: T p Wymiennik Absorber p ot P Desorber Parownik P Skraplacz

15 Przykłady absorpcyjnych pomp ciepła Prototyp pompy 13 kW Absorpcyjna pompa klimatyzatora Pompa LiBr-H 2 O, 100 kW Pompa LiBr-H 2 O Absorpcyjna pompa w Z.G.Mszczonów

16 Absorpcyjny transformator ciepła parownik skraplacz P P Q pa QgQg QdQd desorber absorber Q sk pompa 3(NH 3 +H 2 O) c 2(NH 3 +H 2 O) g+c 8(NH 3 ) g 6(NH 3 ) c 1(NH 3 ) g 4(NH 3 +H 2 O) c+g 2(H 2 O) c+g 9(H 2 O) c Sprężona para 1 z de- sorbera (dźc obiegu wła- ściwego) ulega schłodze- niu 5, a następnie kon- densacji 6 w skraplaczu (gźc silnika cieplnego). W parowniku (dźc sil- nika cieplnego) konden- sat 7 ogrzewa się, odpa- rowuje 8 i wpływa do absorbera (gźc obiegu właściwego) 2. Stąd bo- gata mieszanina 3 poprzez wymiennik wpływa do desorbera 4, tam tworzy się 4', z którego wydzielają się pary NH 3 1, wpływające do skraplacza, a ubogi roztwór 2 tłoczony jest do adsorbera itd.

17 Stany termodynamiczne absorpcyjnego transformatora ciepła Przemiany termodynamiczne zachodzące w absorpcyj- nym transformatorze ciepła w układzie T, s i p, T Obieg silnika cieplnego T s Obieg właściwy pompy ciepła T p Wymiennik AbsorberParownik p ot PP SkraplaczDesorber

18 Resorpcyjna pompa ciepła ze sprężarką mechaniczną Zmian stanu skupienia zachodzi na drodze desorpcji i resorpcji. Para czyn- nika 1 po sprężeniu 2 wpływa do absor- bera, gdzie zachodzi absorpcja w roztworze ubogim 3'. Współczynnik efektywności tej pompy jest wyższy niż sprężar- kowej, gdyż procesy desorpcji i resorpcji, w przeciwieństwie do kondensacji i wrzenia, nie zachodzą izotermicznie. P Q re Q de desorber absorber 3' 5 4 4' Roztwór bogaty 3 przez wymiennik i zawór rozprężny wpływa do desor- bera 4, gdzie jako dwuskładnikowa i dwufazowa mieszanina 4' ulega resor- pcji na sorbent 5 i pary czynnika 1.

19 Resorpcyjna pompa ciepła ze sprężaniem sorpcyjnym czynnika obieg właści- wy pompy s T obieg silnika cieplnego 1 Q re Q de desorber absorber 4 4' 3 1 Q de Q ab 5 8 8' 6 6' 2' 7 desorber absorber P P Z analizy schematów, obiegów tej pompy wynika, że jest to zmodyfikowana pompa resorpcyjna, w której realizowany jest właściwy obieg pompy (1, 2, 3, 4), w której do sprężania par czynnika zamiast sprężarki zastosowano silnik cieplny o termodynamicznym obiegu (5, 6, 7, 8).

20 Pompa ciepła wykorzystująca sprężanie oparów W pompie tej sprężanie oparów powoduje podniesie ich entalpii. Wrzący roztwór jest dźc., a skraplające się opary gźc., które jed- nocześnie podgrzewają wrzący roztwór. Czynnikiem roboczym są opary, najczęściej para wodna w tzw. otwartym obiegu pompy. T s obieg właściwy obieg silnika cieplnego pompy K T s Różnica temperatur tego otwartego obiegu jest niska, ok. 10 K, stąd duży współczynnik efektywności tych pomp. Zamiast strumienicą, napędzaną żywą parą opary mogą być sprężane termicznie silnikiem cieplnym lub mechanicznie sprężarką albo wentylatorem. kocioł strumienica parownik skraplacz QzQz QdQd QgQg P

21 oraz: Chemiczna pompa ciepła Działanie pompy opiera się na połączeniu dwóch odwracalnych reakcji uwodornienia CaO i odwodnienia Ca(OH) 2 z procesem parowania i skraplania czynnika – wody. Reakcje chemiczne i procesy fizyczne zachodzące w tej pompie są następujące: W zależności od rodzaju energii wymuszającej ruch ciepła z dolnego do górnego źródła chemiczna pompa ciepła może być sprężarkowa, absorpcyjna, termoelektryczna itd. i odwodnienie: CaO + H 2 O(g) Ca(OH) 2 + Q Reakcja egzotermiczna Ca(OH) 2 + Q CaO + H 2 O (g) Reakcja endotermiczna H 2 O (g) H 2 O (c) + Q i H 2 O (c) + Q H 2 O (g)

22 Działanie chemicznej pompy ciepła Praca odbywa się w na- przemiennych cyklach, w których reaktor i jest albo endo- albo egzotermiczny, a wymiennik skraplaczem lub parownikiem. Zmianom tym odpowia- dają cyklicznie zmiany źródeł ciepła. Oprócz powyższej, w chemicznej pompie ciepła można wykorzystać inne odwracalne reakcje: H 2 O (g) reaktor wymiennik endotermiczny skraplacz H 2 O(g)H 2 O(g+c) QdQd Ca(OH) 2CaO+H 2 O(g) QgQg H 2 O (g) reaktor wymiennik egzotermiczny parownik QdQd H 2 O(g) H 2 O (g+c)CaO+H 2 O(g) Ca(OH) 2 QgQg CaCO 3 CaO + CO 2, 2SO 3 2SO 2 + 2O 2, CO 2 + CH 4 2CO + 2H 2, NH 4 HSO 4 NH 3 + SO 3 + H 2 O, C 6 H 12 C 6 H 6 + 3H 2, 2NH 3 N 2 + 3H 2 i inne.

23 Chemiczny transformator ciepła Siłę napędową wymuszającą przepływy czynników jest reakcja egzotermiczna, która stanowi gźc. Reakcje endotermicz- ne zachodzą w wyniku doprowadzenia energii w dźc. Różnica efektu cieplnego reakcji i nie przeczy prawu Hessa i IZT, gdyż wartości entalpii dotyczą różnych stanów skupienia. Reakcją może być np.: endotermiczne odwodornienie 2 - propanolu (ciecz) pod wpływem katalizatora I (proszek Ni) na gazowy aceton i wodór: i egzotermiczne uwodornienie acetonu na gazowy 2-propanol przy katalizatorze II (Ni osadzony na węglu aktywnym): (CH 3 ) 2 CHOH (CH 3 ) 2 CO + H 2 H = kJ/mol (CH 3 ) 2 CO + H 2 (CH 3 ) 2 CHOH H = -55 kJ/mol

24 Schemat chemicznego transformatora Do endotermicznego reaktora z kolumną rektyfikacyjną do- prowadza się 2-PrOH oraz Q d, który podtrzymuje reakcję Q r, wrzenie oraz rozdział produ- któw (acetonu i H 2 ) Q o. Z mieszaniny acetonu (T w = K) i 2-PrOH (T w = K) w kolumnie oddestylowuje ace- ton i H 2. Ciekły aceton wraca ze skraplacza do reaktora, a gazo- wy aceton i H 2 przez regeneracyjny wymiennik przepływają do reaktora egzotermicznego, gdzie powstaje 2-PrOH i wydziela się strumień ciepła Q g = Q r. QgQg Q ot QdQd reaktor endotermiczny reaktor egzotermiczny kolumna rektyfikacyjna skraplacz wymiennik

25 W 1931 r. G. Ranque zaobserwował różnicę temperatur strumienia powietrza płynącego w osi cyklonu i przy jego ściance. Pompa wykorzystująca efekt Ranquea W 1945 R. Hilsch potwierdził eksperymentalnie i teoretycznie występowanie tego zjawiska. Sprężony gaz o p 1 i T 1 wprowa- dzony do dyszy 1 rozpręża się izentropowo w otworze przesłony do ciśnienia p 0. Rzeczywisty stan gazu określa punkt 2, ciepłego 5 (po rozprężeniu 6) (do 127 o C) i zimnego p. 3 (do -46 o C). Efektywność tej pompy ciepła jest niska =1.2, a dodatkową jej wadą jest hałas przepływającego w niej powietrza T s p1p1 p0p0 p g1 h=const T1T1 T3T3 T4T4 T5T5 T d T g p z =p g =p ot T6T6 T2T2

26 Aplikacje mme/me303/fall2001/hilsch.jpg Description/compresseur.htm

27 Elektrodyfuzyjne pompy ciepła Elektrodyfuzja zachodzi w porowatym materiale przewodzą- cym prąd elektryczny (np. Beta- Aluminium- Solid- Electrolte BASE), na którym są adsorbowane pary Na (g) z parownika 1 Jony Na + migrują i po rekombi- nacji mają wyższy potencjał elektro- chemiczny (wyższe p i T) 2. Następnie pary Na (g) kondensują w skraplaczu 3 Na (c), rozprężają się w zaworze 4 i wpływają do parownika. T pracy jest znacz- nie wyższa niż in- nych pomp ciepła. skraplacz parownik Na + e e zasilacz prądu E el QdQd QgQg T s K Efektywność tych pomp, będąca Q g /E el, wynosi = 6.51, dla izentropowego sprężania h = 0.9

28 Termoelektryczne pompy ciepła Na sumaryczny efekt termoelektryczny pompy składają się trzy efekty: - Efekt Seebecka (1822) - zależność między różnicą temperatur a siłą termoelektryczną, - Efekt Peltiera (1834) jest odwrotny, gdyż przepływ prądu powoduje ruch ciepła. - Efekt Thompsona (1899) (generowanie ciepła w obwo- dzie w wyniku T). Thomas J.Seebeck ( ) Jean C.A.Peltier ( ) A.F. Joffe (1929) zwielo- krotnił działanie tych efektów, zastępując metale półprzewo- dnikami. William Thomson Lord Kelvin

29 Działanie pomp termoelektrycznych n p n p górna dolna Cu QdQd QgQg QjQj Q pe QpQp QjQj QdQd Q j /2 Działanie termoelektrycznej pompy ciepła jest sumarycznym efektem trzech strumieni wewnętrznych strumieni cie- pła: Q pe – Peltiera, Q j – Joulea i Q p – Fouriera (przewodzenia): Q g = Q d + ½Q j + E – Q p QpQp QgQg E Q d (sum) Q d (netto)

30 Aplikacje pomp termoelektrycznych Generator prądu gźc - radioaktywny PuO 2, dźc- przestrzeń kosmiczna System chłodzenia kamery Regulator T Klimatyzator samochodowy

31 Magnetokaloryczne pompy ciepła Zjawisko magnetotermiczne przewidział teoretycznie w 1907 r. Weiss, a w 1926 r. wraz z Forrerem udowodnił eksperymentalnie. Gadolin (Gd), lantanowiec (M = 64) zmienia entropię przy zmianie natężenia pola magnetycznego (B=7,=0), co pozwoliło zbudować pompy z obiegiem Carnota, składającym się z izentropowo-izotermicznego procesu magne- i rozmagnesowania. NASA stosując obieg Ericssona w magnetotermicznej pompie zwiększyło T pomiędzy dżc i gźc z kilku do kilkudziesięciu K. Stosując magnetokalo- ryczne materiały (stałe lub ciekłe) można zmodyfiko- wać rurę cieplną (heat pipe) – rysunek obok – w pompę cieplną.

32 Zasada działania pompy magnetokalorycznej Pakiet siatek z Gadolinu w rurze z płynem jest izotermi- cznie magnesowany (1 – 2). Wydzielone ciepło Q gźc (gźc) jest odbierane przez płyn roboczy cwu (2 – 3). S m /R B = 0 B = 7 T B=0 B= T S m /R Q gźc Q dźc Q gźc 2 – 3 1 – 2 3 – 4 Po usunięciu z pola magne- tycznego (3 – 4) pojemnik z Gadoliem schładza się. W stanie (4–1) pojemnik jest dźc i pobiera niskotemperaturową energię 4 – 1 Q dźc Magnetokaloryczne urządzenie w zależności od kierunku obiegu może być pompą ciepła lub urządzeniem chłodniczym (lodówką, zamrażarką).

33 Rozwiązanie techniczne magnetokalorycznej pompy do skraplania gazów

34 Efekt termoakustyczny Zakres dźwiękunormalnytermoakustyczny Poziom dźwięku60 dB170 dB Fluktuacja T0,00002 K10 K Amplituda w gazie (100Hz) cm4 cm Prędkość gazu m/s35 m/s )130 km/h Efekt termoakustyczny pole- ga na wzajemnym oddziaływa- niu fali akustycznej i T ośrodka, Zmiana T powoduje wzmocnie- nie fali dźwiękowej i vice versa To oddziaływanie nie dotyczy tylko zmian T, ale również p i. Różnice oddziaływań akustycznych o różnym natężeniu Izotermy Płyta

35 Termoakustyczna pompa ciepła Rezonator L Powierzchnia odbijająca Wymiennik Płyty Wymiennik Q dźc Q gźc Głośnik Budowa termoakustycznej pompy ciepła Czynnikiem roboczym w pompie może być hel, który w wyniku oddziaływania fali akustycznej, będącej siłą napędową procesu, ulega następującym przemianom termodynamicznym, : izotermiczne sprężanie 1 – 2, izochoryczne ogrzewanie 2 – 3, izochoryczne chłodzenie 4 – 1. izotermiczne rozprężanie 3 – 4, p v Ekspansja Sprężanie Chłodzenie Grzanie Q gźc Obieg Stirlinga Q dźc

36 Aplikacje termoakustycznej pompy ciepła Termoakustyczna lodziarka do produkcji lodów Termoakustyczna lodówka (TAR), p=7at, T=15 K, 180 dB.

37 Literatura 2. Honda Develops New Energy-Efficient, Home-Use Equipment, World's smallest home-use absorption-type heat pump air conditioner 3. J.Blanco, D.Alarcón, Improving the efficency of the hight capacity solar thermal seawater desalination systems: the AQUASOL Project, ncy%20of%20high%20capacity%20solar%20thermal%20seawater%20des alination%20systems.htm 4. Pompa absorpcyjna w Kutateladze Institute of Thermal Physics, 6. THERMAL MANAGEMENT, Using Thermoelectric Heat Pumps for Temperature Control of Medical Equipment, 1. Dr. Harald Mehling (heat and cold storage), Absorpcyjna pompa ciepła, Harald Mehling 5. Pompa absorpcyjna w Geotermii Mszczonów,

38 Literatura cd. 11. J.Rudnik, Chemiczna pompa ciepła z odwracalną reakcja CaO/Ca(OH)2 III Krajowa Konferencja Modernizacja Miejskich Systemów Cioepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1994, s. 187 – Weiss, P., Forrer, F., Absolute saturation of ferromagnetic substances and the law of approach as a function of the field and of the temperature Ann. de Phys., [10], 12, 279 (1929). 8. Montoya J.E.C., Developmevt of a magnetocaloric pump for applications in heat pipes, Mechanical Engineering Uiversity of Puerto Rico, 2005, w. 1-95, 9. Breitzer J., Lisensky G., Synthesis of Aqueous Ferrofluid, Procedure modified from J. Chem. Educ., 76, s , (1999), 10. Engineering principles of advanced thermal management solutions, Overview (thermoelectric, thermoacoustic, thermomagnetic),

39 Literatura cd Spoelstra S., Thermoacoustic heat pumps for energy savings, Seminar "Boundary crossing acoustics" of the Acoustical Society of the Netherlands on 23 November 2005, s. 1-23, 2005, 2005/rx05159.pdf 13. Hendricks T.J., Johnson V.H. Keyser M.A., Heat-Generated Cooling Opportunities, Center for Transportation Technologies and Systems National Renewable Energy Laboratory Golden, Colorado, 2007, 14. Arslanagic A., Brooks L., Chen E., The thermoacoustic refrigerator (TAR), Dept. of Mechanical Engineering, The University of Adelaide Australia, 2003, option=com_content&task=view&id=6&Itemid=2 15. McCarty M., An Introduction to Thermoacoustic Refrigeration, School of Mechanical and Aerospace Engineering Cornell University April 29, 2005, 16. Harcerski Ośrodek Morski, ttp://www.hompuck.org/


Pobierz ppt "Przegląd pomp ciepła Alternatywne Źródła Energii Wykłady współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach EFS, UDA-POKL 04.01.02.-00-137/11-00 Absolwent."

Podobne prezentacje


Reklamy Google