Alternatywne Źródła Energii

Prezentacja na temat: "Alternatywne Źródła Energii"— Zapis prezentacji:

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

2 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.

3 William Thomson Lord Kelvin 1824-1907
Historia pomp ciepła William Thomson Lord Kelvin 1852 r. - W. Thomson (lord Kelwin) opracował teorię i zasadę działania pompy ciepła. 1898 r. - w Balsbergu w Niemczech powstała pierwsza pompa. 1914 r. - w Szwajcarii pompą zatęża-no roztwór NaOH w farbiarni. 1928 r. – T.G.N. Haldane pompą ogrzewał dom. 1938 r. - w Zurichu pompą ciepła ogrzewano ratusz. 1941 r. - w Zurichu pompę ciepła ogrzewano Politechnikę.

4 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.

5 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.

6 Budowa i zasada działania sprężarkowej pompy ciepła
Dolne źródło ciepła dźc 13oC 40oC 10oC 3oC 60oC Qg L Parownik Skraplacz Zawór rozprężny Sprężarka 20oC Górne źródło ciepła gźc Qd

7 Współczynnik efektywności pompy ciepła
Qd Qg L Parownik Skraplacz Sprężarka Efektywność pierwszych pomp ciepła była niewielka i wynosiła ok. 2. Współczesne sprężarkowe pompy ciepła mają współczynnik efektywności znacznie wyższy np.: e = 5,6 dla td = 10oC i tg = 35oC, a pompa w oczy-szczalni ścieków w Łodzi nawet e = 6,4.

8 Pompa ciepła sprężarkowa z czynnikiem jednoskładnikowym
skraplacz parownik Qg Qd 3 1 2 4 Schemat 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 Qg. Ciecz 3, po rozprężeniu w zaworze, jako mieszanina dwufazowa 4, wpływa do paro-wnika i w warunkach p, T = const. pobiera niskotemperaturowe ciepło Qd parując 1. Termodynamiczne przemiany zachodzące w tej pompie, przedstawione na rysunku w układzie T, s, są teoretycznym obiegiem Lindego. Punkt K określa punkt krytyczny. T s 3 4 1 2 K

9 Pompa ciepła sprężarkowa z czynnikiem dwuskładnikowym
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. 4 3 3' 2* 2' 2 1 skraplacz parownik 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. T s 4 3 2 2* 1 pd pg K T 3 2 4 1 s

10 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.

11 Oznaczenia freonów Zgodnie z obowiązującą normą DIN 8962, związki CFC, HCFC i HFC oznacza się kodem literowo−cyfrowym, 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 4−2−0 = 2, co odpowiada wzorowi CF2Cl2. R22 odpowiada wzór chemiczny CHF2Cl.

12 Absorpcyjne pompy ciepła
W pompach absorpcyjnych kompresja czynnika odbywa się termicznie. W układzie przepływają dwa czynniki nisko- i wysokoprężny (np.: NH3–H2O, LiBr – H2O, LiBr – MetOH...) Są w nich po dwa dolne i górne źródła ciepła: desorber NH3 I dźc, skraplacz II gźc, parownik II dźc, a absorber NH3 jest I gźc. skraplacz parownik Qg Qd Qab Qdes 2 5' 6' 7 absorber desorber P pompa 4 NH3g+c 1 NH3g NH3g 9 H2O c+g 8 H2Oc 3 NH3c 6 (NH3+H2O)c+g 5 (NH3+H2O)c 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

13 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 pot P Desorber Parownik Skraplacz

14 Przykłady absorpcyjnych pomp ciepła
Prototyp pompy 13 kW Absorpcyjna pompa w Z.G.Mszczonów Absorpcyjna pompa klimatyzatora Pompa LiBr-H2O, 100 kW Pompa LiBr-H2O

15 Absorpcyjny transformator ciepła
parownik skraplacz P Qpa Qg Qd desorber absorber 5 4 7 Qsk pompa 3(NH3+H2O)c 2’(NH3+H2O)g+c 8(NH3)g 6(NH3)c 1(NH3)g 4’(NH3+H2O)c+g 2(H2O)c+g 9(H2O)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 NH3 1, wpływające do skraplacza, a ubogi roztwór 2 tłoczony jest do adsorbera itd.

16 Stany termodynamiczne absorpcyjnego transformatora ciepła
7 8 5 2 1 3 4 6 Obieg silnika cieplnego T s Obieg właściwy pompy ciepła T p Wymiennik Absorber Parownik pot P Skraplacz Desorber Przemiany termodynamiczne zachodzące w absorpcyj-nym transformatorze ciepła w układzie T, s i p, T

17 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'. P Qre Qde desorber absorber 3' 5 4 4' 3 1 2 6 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. Współczynnik efektywności tej pompy jest wyższy niż sprężar-kowej, gdyż procesy desorpcji i resorpcji, w przeciwieństwie do kondensacji i wrzenia, nie zachodzą izotermicznie.

18 Resorpcyjna pompa ciepła ze sprężaniem sorpcyjnym czynnika
2' 6 7 5 8 3 2 4 obieg właści-wy pompy s T obieg silnika cieplnego 1 6' absorber desorber 7 3 Qre Qde 6 5 8 4' P 1 8' P 4 Qde desorber absorber Qab 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).

19 Pompa ciepła wykorzystująca sprężanie oparów
kocioł strumienica parownik skraplacz 7 1 8 6 4 5 3 2 Qz Qd Qg P 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 6 7 8 2 1 4 3 5 obieg właściwy obieg silnika cieplnego pompy K 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.

20 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. W zależności od rodzaju energii wymuszającej ruch ciepła z dolnego do górnego źródła chemiczna pompa ciepła może być sprężarkowa, absorpcyjna, termoelektryczna itd. Reakcje chemiczne i procesy fizyczne zachodzące w tej pompie są następujące: CaO + H2O(g) → Ca(OH)2 + Q Reakcja egzotermiczna i odwodnienie: Ca(OH)2 + Q → CaO + H2O (g) Reakcja endotermiczna oraz: H2O (g) → H2O (c) + Q i H2O (c) + Q → H2O (g)

21 Działanie chemicznej pompy ciepła
H2O (g) reaktor wymiennik egzotermiczny parownik H2O (g) reaktor wymiennik endotermiczny skraplacz Praca odbywa się w na-przemiennych cyklach, w których reaktor i jest albo endo- albo egzotermiczny, a wymiennik skraplaczem lub parownikiem. Qg Qd Qd Qg Zmianom tym odpowia-dają cyklicznie zmiany źródeł ciepła. CaO+H2O(g)Ca(OH)2 Ca(OH)2→CaO+H2O(g) H2O(g)H2O (g+c) H2O(g)→H2O(g+c) Oprócz powyższej, w chemicznej pompie ciepła można wykorzystać inne odwracalne reakcje: CaCO3  CaO + CO2, SO3  2SO2 + 2O2, CO2 + CH4  2CO + 2H2, NH4HSO4  NH3 + SO3 + H2O, C6H12  C6H6 + 3H2 , 2NH3  N2 + 3H i inne.

22 Chemiczny transformator ciepła
Siłę napędową wymuszającą przepływy czynników jest reakcja egzotermiczna, która stanowi gźc. Reakcje endotermicz-ne zachodzą w wyniku doprowadzenia energii w dźc. Reakcją może być np.: endotermiczne odwodornienie 2 - propanolu (ciecz) pod wpływem katalizatora I (proszek Ni) na gazowy aceton i wodór: (CH3)2CHOH → (CH3)2CO + H DH = kJ/mol i egzotermiczne uwodornienie acetonu na gazowy 2-propanol przy katalizatorze II (Ni osadzony na węglu aktywnym): (CH3)2CO + H2 → (CH3)2CHOH DH = -55 kJ/mol Różnica efektu cieplnego reakcji i nie przeczy prawu Hessa i IZT, gdyż wartości entalpii dotyczą różnych stanów skupienia.

23 Schemat chemicznego transformatora
Qg Qot Qd reaktor endotermiczny egzotermiczny kolumna rektyfikacyjna skraplacz wymiennik Do endotermicznego reaktora z kolumną rektyfikacyjną do-prowadza się 2-PrOH oraz Qd, który podtrzymuje reakcję Qr, wrzenie oraz rozdział produ-któw (acetonu i H2) Qo. Z mieszaniny acetonu (Tw = K) i 2-PrOH (Tw = K) w kolumnie oddestylowuje ace-ton i H2. Ciekły aceton wraca ze skraplacza do reaktora, a gazo- wy aceton i H2 przez regeneracyjny wymiennik przepływają do reaktora egzotermicznego, gdzie powstaje 2-PrOH i wydziela się strumień ciepła Qg = Qr .

24 Pompa wykorzystująca efekt Ranque‘a
W 1931 r. G. Ranque zaobserwował różnicę temperatur strumienia powietrza płynącego w osi cyklonu i przy jego ściance. W 1945 R. Hilsch potwierdził eksperymentalnie i teoretycznie występowanie tego zjawiska. 6 1 3 4 5 2 T s p1 p0 pg1 h=const 1 5 6 2 3 4 T1 T3 T4 T5 DTd DTg pz=pg=pot T6 T2 Sprężony gaz o p1 i T1 wprowa-dzony do dyszy 1 rozpręża się izentropowo w otworze przesłony do ciśnienia p0. Rzeczywisty stan gazu określa punkt 2, ciepłego 5 (po rozprężeniu 6) (do 127oC) i zimnego p. 3 (do -46oC). Efektywność tej pompy ciepła jest niska e =1.2, a dodatkową jej wadą jest hałas przepływającego w niej powietrza.

25 Aplikacje http://www.physics.kee.hu/ranque.html

26 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. skraplacz parownik Na+ e zasilacz prądu Eel 3 4 2 1 Qg T s 3 4 1 2 K T pracy jest znacz-nie wyższa niż in-nych pomp ciepła. Qd Efektywność tych pomp, będąca Qg/Eel, wynosi e = 6.51, dla izentropowego sprężania h = 0.9

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

28 Działanie pomp termoelektrycznych
górna dolna Cu Qd Qg Działanie termoelektrycznej pompy ciepła jest sumarycznym efektem trzech strumieni wewnętrznych strumieni cie-pła: Qpe – Peltiera, Qj – Joule’a i Qp – Fouriera (przewodzenia): Qg = Qd + ½Qj + E – Qp Qj Qpe Qp Qd Qj/2 Qp Qg E Qd(sum) Qd (netto)

29 Aplikacje pomp termoelektrycznych
Regulator T Generator prądu gźc - radioaktywny PuO2, dźc- przestrzeń kosmiczna System chłodzenia kamery Klimatyzator samochodowy

30 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 DT 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.

31 Zasada działania pompy magnetokalorycznej
Pakiet siatek z Gadolinu w rurze z płynem jest izotermi-cznie magnesowany (1 – 2). Wydzielone ciepło Qgźc (gźc) jest odbierane przez płyn roboczy cwu (2 – 3). 280 320 360 B=0 B=7 2 1 3 4 1.6 1.8 2.0 T Sm/R Qgźc Qdźc 1 – 2 Qgźc 2 – 3 3 – 4 Po usunięciu z pola magne-tycznego (3 – 4) pojemnik z Gadoliem schładza się. 4 – 1 Qdźc Sm/R B = 0 B = 7 T W stanie (4–1) pojemnik jest dźc i pobiera niskotemperaturową energię Magnetokaloryczne urządzenie w zależności od kierunku obiegu może być pompą ciepła lub urządzeniem chłodniczym (lodówką, zamrażarką).

32 Rozwiązanie techniczne magnetokalorycznej pompy do skraplania gazów

33 Efekt termoakustyczny
Efekt termoakustyczny pole-ga na wzajemnym oddziaływa-niu fali akustycznej i T ośrodka, Zmiana T powoduje wzmocnie-nie fali dźwiękowej i vice versa Izotermy Płyta To oddziaływanie nie dotyczy tylko zmian T, ale również p i r. Różnice oddziaływań akustycznych o różnym natężeniu Zakres dźwięku normalny termoakustyczny Poziom dźwięku 60 dB 170 dB Fluktuacja T 0,00002 K 10 K Amplituda w gazie (100Hz) cm 4 cm Prędkość gazu m/s 35 m/s )130 km/h

34 Termoakustyczna pompa ciepła
v Ekspansja Sprężanie Chłodzenie Grzanie Qgźc Obieg Stirlinga 3 1 4 2 Qdźc Rezonator L Powierzchnia odbijająca Wymiennik Płyty Qdźc Qgźc 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, izotermiczne rozprężanie 3 – 4, izochoryczne chłodzenie 4 – 1.

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

36 Literatura 1. Dr. Harald Mehling (heat and cold storage), Absorpcyjna pompa ciepła, 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, 4. Pompa absorpcyjna w Kutateladze Institute of Thermal Physics, . 5. Pompa absorpcyjna w Geotermii Mszczonów, 6. THERMAL MANAGEMENT, Using Thermoelectric Heat Pumps for Temperature Control of Medical Equipment,

37 Literatura cd. 7. 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), 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 – 189.

38 Literatura cd.3 12. 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, /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://