kylmaskin/värmepump

UMEÅ UNIVERSITET
Fysiska institutionen
Leif Hassmyr
2001-03-27
KYLMASKIN/VÄRMEPUMP
1
UPPGIFT
l. Förstå principen för kylmaskinen/värmepumpen och känna till dess huvuddelar.
2. Bestämma kondensor-, förångar- och kompressoreffekterna.
3. Bestämma köldmediets köld- och värmefaktor, verkliga köld- och värmefaktorn samt
Carnotska köld- och värmefaktorn.
LITTERATUR
Kurslitteratur
KÖLDALSTRINGENS PRINCIP
För att klargöra principen för köldalstring skall erinras om ett välbekant fenomen. Om
man tar några droppar av en lättkokande vätska (t ex eter eller sprit) i handen känns det
kallt. Känslan finns kvar så länge det finns någonting av den lättkokande vätskan kvar.
Förklaringen är, att vid all avdunstning åtgår värme. Detta ångbildningsvärme måste
tillföras vätskan från omgivningen. I detta fall blir det handen som berövas värme.
Ovan beskrivna fenomen äger rum i en kylmaskin eller värmepump. Som arbetsmedium
(köldmedium) vid många kylprocesser använder man ångor med sådana egenskaper att
de kondenserar vid den högre temperaturen och högre trycket, och förångas vid den lägre
temperaturen och lägre trycket. Värmeupptagningen (köldalstringen) sker således genom
att köldmediet vid låg temperatur tar upp sitt ångbildningsvärme från omgivningen.
Temperaturen härvid, förångningstemperaturen, förblir konstant och detta är förhållandet
även vid värmeavgivningen från processen vid den högre temperaturen,
kondenseringstemperaturen.
2
VÄRMEPUMPEN
Värmepumpen är ingen nyuppfunnen företeelse utan har i praktiken funnits i över 100 år.
Värmepumpar tillverkas i olika storlekar och varierande utförande bland vilka kan
nämnas:
1. Värmepumpar för enbart varmvattenberedning.
2. Värmepumpar för enbart luftuppvärmning.
3. Värmepumpar för uppvärmning av radiatorvatten.
4. Värmepumpar för uppvärmning av tappvarm- och radiatorvatten.
Med hjälp av värmepumpen kan man alltså överföra värme från en lägre temperatur
(utomhus) till en högre (inomhus).
Den energi som åtgår för att driva värmepumpen kommer också att resultera i en viss
värmeutveckling, som kan tas till vara för uppvärmningsändamål.
Olika värmekällor kan användas som reservoar för värmepumpen.
Exempelvis:
Solenergi
Solenergin tillvaratas i
solkollektorer och
ackumuleras i vatten, som
cirkuleras till värmeväxlare i
värmepumpen, och avger
upptaget värme.
Fig.1
Spillvärme
I de fall spillvärme i tillräcklig
mängd föreligger kan denna
tillvaratas och temperaturnivån
via värmepumpen höjas i
erforderlig omfattning.
Fig.2
3
Avloppsvatten
Fig.3
Avloppsvattnet innehåller
stora mängder lågtempererad
energi. Sedan avloppsvattnet
renats kan detta berövas en del
av värmeinnehållet och via
värmepump uttas med högre
användbar temperaturnivå.
Värmepumpar för detta
ändamål blir mycket stora och
distributionsnät till
reningsverkets omgivande
bebyggelse kräver stora
investeringar.
Vatten
Fig.4
Sjövatten och grundvatten kan
också utnyttjas som värmekälla
genom att man pumpar
detsamma genom
värmepumpens värmeväxlare
där vattentemperaturen vid
passagen sänks och den av
värmepumpen upptagna
värmemängden överförs till
exempelvis radiatorvattnet. En
intressant synpunkt när det
gäller sjövatten är
isackumulering då
stelningsvärmet representerar
334 kJ/ kg, dvs lika mycket
energi som frigörs då ett kg
vatten kallnar från 80 °C
till 0 °C.
4
Mark
Genom att lägga ned slangar i
marken och cirkulera t ex
lågtempererat glykolvatten
genom dessa tar vätskan upp
värme från marken och denna
värme kan i nästa steg överföras
till värmepumpsystemet.
Fig.5
Luft
Värmeinnehållet i uteluften kan
också överföras till
värmepumpsystemet. Detta sker
på så sätt att luften blåses genom
ett kylbatteri vars temperatur
ligger ca 10 °C under
lufttemperaturen. Vid passagen
genom batteriet lämnar luften
värme via kylbatteriet till
värmepumpsystemet
Fig.6
Exempel på kommersiellt luftvärmepumpsystem för uppvärmning av tappvarm- och
radiatorvatten.
Fig.7
5
1. Den varma ventilationsluften tas in i värmepumpen.
2. Ventilationsluften förs med hjälp av en fläkt vidare till förångaren, där luften kyls ned
till ca 0 °C.
3. Den kalla luften försvinner ut ur huset genom frånluftskanalen i värmepumpen.
4. Den värmeenergi som förångaren har hämtat från ventilationsluften transporteras
vidare av kompressorn till en kondensor, som överför värmeenergin till varmvattnet.
5. Värmeenergin i varmvattnet transporteras vidare med hjälp av en cirkulationspump
till
elpannan där energin avges i form av värme och varmt vatten.
KOMPRESSORKYL/VÄRMEPUMPSANLÄGGNING
En enkel kompressorky1/värmepumpsanläggning är uppbyggd av en förångare, en
kompressor, en kondensor och en expansionsventil, samt köldmedium, rörledningar och
drivmotor för kompressorn. I Fig.8 är systemet schematiskt uppritat. I Fig.9 framgår hur
den i detta försök använda uppställningen är uppbyggd.
Fig.8
Princip för kylmaskin/värmepump
6
BESKRIVNING AV KYL/VÄRMEPUMPANLÄGGNING.
Fig.9
A. Kompressor
B. Kondensor
C. Expansionsventil
D. Förångare
E. Köldmediebehållare
F. Rotameter
G. Torkare
H. Synglas
I. Cirkulationspump
J. Elvärmare
P1-P6.
Tl-T6.
T7-Tl0.
Tryckmätare anslutna i punkterna 1-6 i systemet.
Pt-100 givare för mätning av temperaturerna i punkterna 1-6 i systemet.
Pt-100 givare för mätning av in- och uttemperaturerna i kondensorns
och förångarens vattensystem.
7
På
kyl/värmepumpanläggningen
finns en panel med 3 st
tryckgivare för sug- resp.
trycksidan samt en rotameter
för bestämning av
köldmedieflödet. I systemet
finns dessutom 10 st Pt-100
givare anslutna till en låda
med omkopplare med vars
hjälp man successivt kan göra
en fyrpolsmätning av
resistansen hos Pt-100
givarna med multimeter
HP3478A.
Fig.10
Temperaturen kan därefter
bestämmas ur sambandet:
T=[(R-100)/0.385] °C.
Fig.11
På bottenplattan finns en
eldriven helhermetisk
kompressor och en vattenkyld
koaxialkondensor.
Kondensorns vattenslinga är
försedd med en tryckstyrd
vattenventil med vilken man
kan ställa kondensorns
arbetstemperatur. I
tryckledningen efter
kondensorn finns en
köldmediebehållare för
överskott av köldmedium,
torkare och synglas. På
bottenplattan finns dessutom,
i en grön isolerad tank, en
koaxialförångare som kyler
vatten som pumpas från den
gröna isolerade tanken på den
övre plattan
m h a en dränkbar
cirkulationspump. Den övre
tanken är försedd med
elvärmare (0-3kW) för önskad
värmebelastning på
kylkretsen. Anläggningen är
dessutom försedd med en
dubbelpressostat för
kontinuerlig drift av
anläggningen med önskade
drifttryck/temperaturer.
8
ALLMÄNT
Anläggningens huvuddelar är en eldriven helhermetisk kompressor, vattenkyld
koaxialkondensor, expansionsventil, koaxialförångare och en separat vattentank med
värmare. I tryckledningen från kondensorn finns köldmediebehållare, torkare, synglas
och rotameter för mätning av köldmedieflöde.
KOMPRESSOR
Helhermetisk kompressor modell CAJ4492A för forane R134a.
Kompressorn är ansluten till en dubbelpressostat. Dess högtryckssida bör stoppa
kompressorn vid ett max tryck av högst 15 bar ö. (Inställning: 14 bar ö). Dess
lågtrycksida bör stoppa kompressorn vid ett lägsta tryck av 0 bar ö för att undvika ev
insugning av luft i anläggningen. Tillslag kan t ex ske på frånslagstryck plus 1 bar.
(Inställning: Frånslag = 2 bar ö (för att förhindra att temperaturen i förångarens
vattensystem blir lägre än 0°C) och differenstillslag = frånslag + 1 bar).
Fig.12
Fig.13
KONDENSOR
COAX-2050H vattenkyld koaxialkondensor.
Kondensorns kylning regleras av en vattenventil på vattenledningen. Genom inställning
av denna kan man justera temperaturen hos kondensorns vattensystem och demonstrera
anläggningens användning som värmepump. Inställningen för forane R134a motsvarar en
vattentemperatur av ca 40 °C.
9
EXPANSIONSVENTIL
Till den termostatiska expansionsventilens
karakteristik hör att den upprätthåller en
konstant överhettning i förångaren även när
förångningstrycket varierar.
Vanligtvis ∼5 °C överhettning.
Fig.14
Den termostatiska expansionsventilen
fungerar på följande sätt:
Givaren 2 sitter fastklamrad efter
förångaren 1 och känner därmed
temperaturen på den utgående sugledningen
3.
Givaren som är fylld med något lättkokande
medium, står via kapillärröret 4 i
förbindelse med expansionsventilen och ett
tryck P1, vars storlek bestäms av
givartemperaturen verkar således på
ovansidan av membranet 5. På membranets
undersida verkar förångningstrycket P2
(förångarens början) samt fjädertrycket P3
Vid balans gäller:
P1 = P2 + P3
Fig.15
10
FÖRÅNGARE
WKV1 vattenkyld koaxialförångare.
3
3
Köldmedievolym 0,5 dm och vattenvolym 1,4 dm .
A=285 mm
B=310 mm
H=220mm
Fig.16
VATTENTANK
Den värme som upptas från vattnet i koaxialförångaren vid förångningen av köldmediet
ersätts genom att vatten från en isolerad vattentank, som är försedd med en värmare på
3*1 kW, cirkuleras genom koaxialförångaren med hjälp av en dränkbar
cirkulationspump.
Tillförd elvärme mäts med tångamperemeter/voltmeter. Tankens vattenvolym = 30 liter.
TORKARE
Efter kondensorn sitter en torkare innehållande ”silica gel” och ”molecular sieve”. Dess
uppgift är att absorbera det i köldmediet befintliga vattnet samt uppta
föroreningspartiklar.
SYNGLAS
Efter torkfiltret sitter ett synglas genom vilket man kan observera köldmediet när
anläggningen är i drift och under normala driftförhållanden skall detta utgöras av en
jämnt strömmande vätska utan inslag av gasbubblor. Om gasbubblor syns kan detta bero
på t ex köldmediebrist, strypning i vätskeledningen eller onormalt stort tryckfall.
11
ROTAMETER
För mätning av köldmedieflödet finns en rotameter Brooks instrument modell 8-1307BR
inmonterad.
Avläsningen av flödesvärdet sker mot flottörens övre kant.
100% skalutslag motsvarar ett köldmedieflöde = 128 kg/h.
Fig.17
DRIFTSINSTRUKTIONER
Normalt skall en kyl- och värmepumpsanläggning fungera utan driftstekniska bekymmer.
I det följande ges exempel på en del förekommande störningar.
Fukt i anläggningen kan bero på att luft vid något tillfälle läckt in. Fukt kan medföra att
expansionsventilen fryser under drift och hindrar köldmediet (forane R134a) från att
cirkulera normalt. Vanligtvis avlägsnas fukten genom att byta torkare.
Det vanligaste bekymret med kylanläggningar är att läckage uppstår. Detta kan
upptäckas m h a läcksökningsutrustning. Exempel på sådan utrustning är Jon-pump
detektor CPS modell L-780. Den detekterar en köldmedieläcka genom att suga in gas
från läckageområdet mellan två högspänningselektroder varvid köldmediegasen joniseras
och elektriska laddningsbärare skapas varvid en ström som detekteras av instrumentet
uppstår.
Vid hantering med köldmedier av alla typer skall försiktighet iakttas då dessa uppträder i
vätskeform. Om köldmedievätska skulle läcka ut antar den vid sin förångning omedelbart
en temperatur som motsvarar atmosfärstrycket. I köldmediediagrammet för forane R134a
avläses en temperatur på -25°C. Om köldmediedroppar skulle träffa ögonen uppstår
alltså omedelbart förfrysning. Om det finns risk för att köldmedium skall spruta ut skall
skyddsglasögon användas.
12
KONTROLLFRÅGOR TILL LABORATIONEN KYLMASKIN/VÄRMEPUMP
Skall visas upp före laborationens början.
a
1. Låga temperaturer alstras i ett kylbatteri (förångare)
genom att:
a) ett lätt kokande ämne får avdunsta
b) varm vätska avkyls i expansionsventilen
c) värme bortförs från kondensorn
2. Kompressorns uppgift är att:
a) skilja lågtryckssidan från högtryckssidan
b) cirkulera köldmediet
c) överhetta ångan före kondensorn
3. Kondensorns uppgift är att:
a) uppta värme från kondensorns vattensystem
b) avge värme till kondensorns vattensystem
c) hålla trycket efter kompressorn
4. Expansionsventilens uppgift är att hålla köldmediet något:
a) överhettat före kompressorn
b) underkylt före kompressorn
c) överhettat efter expansionsventilen
5. Utströmmande köldmedium måste undvikas bl a därför att:
a) det är oerhört giftigt
b) lukten är besvärande
c) förfrysning uppstår, om köldmediet sprutar ut
som vätska och träffar ögon eller hud.
6. Köldmediadiagrammet är indelat i tre delar från vänster:
a) vätska, överhettat, fuktigt område
b) vätska, fuktigt område, överhettat område
c) fuktigt område, vätska, överhettat område
7. Den Carnotska köldfaktorn är alltid:
a) större än den verkliga
b) mindre än den verkliga
c) lika med den verkliga
b
c
13
EXPERIMENTUTFÖRANDE
1. Kontrollera att vattenslangarna till kondensorn är kopplade till en kallvattenkran på
vattennätet. Öppna kranen.( OBS! Kondensortermostaten öppnar vid T8 > 40 °C. )
2. Kontrollera att vattenslangar är kopplade mellan förångare och övre vattentank, samt
att trevägsventilerna är i rätt läge för cirkulation mellan övre vattentank och förångare.
3. Starta cirkulationspump så att vatten börjar cirkulera mellan förångare och övre
vattentank. ( U˜5V , I˜3A )
4. Koppla in elvärmare med önskad uppvärmningseffekt (ges av handledaren) samt
starta
värmepumpen genom att vrida strömvredet till läge I. (Om kraftiga vibrationer
i kompressorn uppstår, stängs värmepumpen ögonblickligen av genom att vrida
strömvredet till läge 0 och handledaren tillkallas.) Uppvärmningseffekten bestäms m h
a tångamperemeter/voltmeter.
5. Låt värmepumpen gå tills dess systemet stabiliserats (fortvarighet erhållits). Studera
exempelvis temperaturändringen i T1 ( temperaturen efter kompressorn ). Diskutera
med handledaren när fortvarighet uppnåtts. När fortvarighet erhållits mäts ström och
spänning till elpatron i övre vattentank och till kompressormotor. Därefter avläses
tryck- och temperaturmätinstrument samt köldmedieflödesmätare. Vattenflöden
bestäms m h a mätglas och tidtagarur och alla mätresultat förs in i protokoll.
KÖLDMEDIEDIAGRAM - Tryck/Entalpi-diagram
Det diagram som mest används
inom kyltekniken är det s k
h-log p diagrammet.
abskissan = entalpin h
ordinatan = log trycket p.
log P
bar
2.9
Ur detta diagram kan avläsas tryck
och entalpiändringar mellan olika
köldmedietillstånd.
200
h
kJ/kg
Fig.18
Förutom tryck- och entalpivärden
kan även temperatur-, specifika
volym- och entropivärden för
köldmediet avläsas ur
diagrammet.
log P
bar
h
kJ/kg
Fig.19
De i diagrammet x-markerade
linjerna anger hur stor del av
köldmediet som är ånga
ex. x = 0. 6 → 60 % ånga, 40 %
vätska
14
KOMPRESSORN
log P
bar
vA
Tc
hA
hB
h
kJ/kg
Kompressorn suger torr mättad forane
134a-ånga av temp Tc med värmeinnehållet
hA och specifika volymen vA.
Den insugna lågtrycksångan representeras
av punkten A.
Om nu komprimeringen av ångan i
kompressorn kunde ske reversibelt och
adiabatiskt, dS = 0, skulle den representeras
av linjen A - B. Punkten B med
temperaturen TB entalpin hB representerar
köldmediets tillstånd strax före kondensorn.
Fig.20
KONDENSORN
log P
bar
Th
vA
Tc
hC
hA
hB
Efter komprimeringen följer så
kondenseringen som sker vid konstant tryck
P2.
Kondenseringen representeras alltså av
linjen B-C.
Punkten C med temperaturen Th och
entalpin hC blir alltså köldmediets tillstånd
strax före expansionsventilen.
h
kJ/kg
Fig.21
EXPANSIONSVENTILEN
log P
bar
Th
vA
Tkc
T
hC
Fig.22
hA
hB
h
kJ/kg
I expansionsventilen sänks köldmediets
tryck från P2 till P1. Denna tryckminskning
sker utan entalpiändring dvs förloppet
representeras av linjen C-D.
Punkten D med temp Tc och entalpin hC
representerar alltså köldmediets tillstånd
strax före förångaren.
15
FÖRÅNGAREN
log P
bar
Th
vA
Tc
hC
hA
Slutligen sker så förångning i förångaren
vid konstant tryck P1, vilken representeras
av linjen D-A.
När köldmediet således kommer fram till
punkten A är det helt förångat och sugs
återigen in i kompressorn för förnyad
komprimering etc.
h
kJ/kg
hB
Fig.23
log P
bar
För att erhålla en bättre verkningsgrad samt
undvika vätskeslag i kompressorn låter man
vanligen köldmediet underkylas något i
kondensorn, samt överhettas i förångaren,
vilket ger ett kretsförlopp enligt Fig. 24
Th
vA
Tc
hC
hA hB
h
kJ/kg
Fig.24
log P
bar
De ovan redovisade förloppen är att
betrakta som ideala, medan
förångningsprocessens verkliga förlopp får
ett något annorlunda utseende i
diagrammet bl a på grund av tryckfallen i
köldmediekretsen, värmeutbytet med
omgivningen etc.
h
kJ/kg
Fig.25
PROTOKOLL
16
ELVÄRMAREFFEKT
W
TRYCK KÖLDMEDIUM
1. Efter kompressor
+ 1 bar =
2. Efter kondensor
+ 1 bar =
3. Före expansionsventil
+ 1 bar =
4. Före förångare
+ 1 bar =
5. Efter förångare
+ 1 bar =
6. Före kompressor
+ 1 bar =
TEMPERATUR KÖLDMEDIUM
1. Efter. kompressor
°C
2. Efter kondensor
°C
3. Före expansionsventil
°C
4. Före förångare
°C
5. Efter förångare
°C
6. Före kompressor
°C
TEMPERATUR VATTEN
l. Vattentemp. kondensor in
°C
2. Vattentemp. kondensor ut
°C
3. Vattentemp. förångare in
°C
4. Vattentemp. fórångare ut
°C
FLÖDEN
1. Rotameter skalstreck
kg/h
2. Vatten kondensor
l/s
3. Vatten förångare
l/s
KOMPRESSORDATA
Ström till kompressor
A
Spänning till kompressor
V
17
18
EFFEKTBESTÄMNINGAR
l. KONDENSOR
Effekten som avges till vattensystemet i kondensorn bestäms genom att mäta
vattenflödet, m& kond ( H 2 O) , och temperaturökningen över kondensorn.
Pkond ( H 2 O) = m& kond ( H 2 O) ⋅ C H 2O ⋅ (Tkond (ut ) − Tkond (in)) W
( CH2O = Spec. vä rme −
kapaciteten för vatten )
På köldmediesidan bestäms värmeeffekten i kondensorn genom att mäta
& ( R134a ) , och entalpiändringen, Δhkond .
köldmedieflödet, m
& ( R134a ) ⋅ Δhkond
Pkond ( R134a ) = m
W
2. FÖRÅNGARE
Tillförd värmeeffekt i vattentank bestäms genom att mäta ström och spänning till
elvärmaren m h a tångamperemeter och voltmeter, eller genom att mäta
temperaturskillnaden över förångaren och cirkulerat vattenflöde, m& för ( H 2 O) .
Pför ( vä rmeeffekt ) = U ⋅ I
W
Pför ( H 2 O) = m& för ( H 2 O) ⋅ C H 2O ⋅ (T för (in) − T för (ut ))
W
På köldmediesidan bestäms kyleffekten i förångaren genom att mäta köldmedieflödet
& ( R134a ) och entalpiändringen Δh för .
m
& ( R134a ) ⋅ Δh för
Pför ( R134a ) = m
W
3. KOMPRESSOR
På köldmediesidan bestäms kompressoreffekten ur:
Pkomp ( R134a) = Pkond ( R134a) − Pför (R134a)
W
För att bestämma anläggningens verkliga köld- och värmefaktor måste även förluster
mellan motor och kompressor beaktas. Kompressoreffekten skall då ersättas av
motoreffekten som bestäms med hjälp av tångamperemeter och voltmeter.
Pmotor = U ⋅ I ⋅ cos f
W
( cos f = 0.65)
19
KÖLD - OCH VÄRMEFAKTORBESTÄMNINGAR
Pför ( R134a)
Köldmediets köldfaktor:
ε k ,köldmedie =
Köldmediets värmefaktor:
ε v ,köldmedie =
Verkliga köldfaktorn:
ε k ,verklig =
Pför ( H 2 O)
Verkliga värmefaktorn:
ε v ,verklig =
Pkond ( H 2 O)
Pmotor
Carnotska köldfaktorn:
ε k ,Carnot =
Tc
Th − Tc
Carnotska värmefaktorn:
ε v ,Carnot =
Th
Th − Tc
Pkomp ( R134a)
=
Δh för
Δhkond − Δh för
Pkond ( R134a)
Δhkond
=
= ε k ,köldmedie + 1
Pkomp ( R134a) Δhkond − Δh för
Pmotor
20
Namn:_________________________________________________
Datum:________________________________________________
Handledare:____________________________________________
KYLMASKIN / VÃRMEPUMP
INNEHÅLL:
1.
Figur över princip för kylmaskin/värmepump med ingående huvuddelar,
samt förklaring av de ingående delarnas funktion.
2.
Tryck/Entalpi - diagram för processen.
3.
Tabell över kondensor-, förångar- och kompressoreffekterna.
4.
Ange
a)
köldmediets köldfaktor
b)
köldmediets värmefaktor
verkliga köldfaktorn
verkliga värmefaktorn
c)
Carnotska köldfaktorn
Carnotska värmefaktorn
5.
Resultatdiskussion
ε k ,köldmedie
ε v.köldmedie
ε k ,verklig
ε v,verklig
ε k ,Carnot
ε v,Carnot
21