Közbenső hőcserélővel ellátott hőszivattyú teljesítménytényezőjének kivizsgálása Boros Dorottya Szabadkai Műszaki Szakfőiskola Szabadka, Szerbia dorottya93@gmail.com Összefoglaló: A dolgozatunkban bemutatunk egy kompresszoros közbenső-hőcserélős víz-víz típusú hőszivattyút. A munkánk célja, hogy a bemutatásra került hőszivattyú maximális COP értékét kivizsgáljuk különböző hűtőközegek esetére. A kompresszoros hőszivattyú komponensei: elpárologtató, kompresszor, közbenső hőcserélő, kondenzátor és az expanziós szelep. A matematikai modellje koncentrált paraméterű. A következő hűtőközegekkel végezzük el az elemzést: ///. A szimulációs Solkane8-program segítségével kapott eredményeket grafikonos módon ábrázoltuk. Kulcsszavak: hőszivattyú, hűtőközeg, teljesítménytényező COP, matematikai modell Jelölések: Q 0 hűtőteljesítmény [kw] q 0 fajlagos hűtőteljesítmény [kw] t 0 elpárolgási hőmérséklet [ C] t k közbenső hőcserélőben lévő hőmérséklet [ C] t c kondenzációs hőmérséklet [ C] t u utóhűtés hőmérséklete [ C] p 0 elpárolgási nyomás [bar] p k közbenső hőcserélőben lévő nyomás [bar] p c kondenzációs nyomás [bar] i 0 az elpárolgás latens hője [kj/kg] i a kondenzáció latens hője [kj/kg] k hőátbocsájtási tényező [W/m 2 K] A hűtőközegek fontosabb fizikai jellemzői: M moláris tömeg [g/mol] R gázállandó [kj/kg] t 0 olvadáspont [ C] t f forráspont [ C] p a hűtőközeg gőznyomása [bar] V a hűtőközeg térfogatárama [m 3 /s] Görög betűk: ρ g sűrűség (gőz) [kg/m 3 ] ρ f sűrűség (folyadék) [kg/m 3 ] Szabadkai Műszaki Szakfőiskola 2015 1
I. BEVEZETÉS A cikkünkben először is letisztáztuk a hőszivattyú működését, majd az adott hűtőközegekre külön-külön kivizsgáljuk a teljesítménytényező értékét. A teljesítménytényező egy mutatószám, ami a hőszivattyú hatékonyságára vonatkozik. Egy adott időpillanatban vizsgálva, meghatározott hőfelvételi és hőleadási hőmérsékletnél, a hőszivattyú berendezés által leadott hőteljesítmény és felhasznált segédenergiaként-általában villamos energiáról beszélünk - arányát mutatja meg, amikor a berendezés működése közben eléri a csúcsteljesítményét. A hőszivattyús gép valós hatékonysága, amely rendelkezik egy adott COP-val attól függ, hogy hogyan lett kivitelezve a hőforrás valamint a hőleadás. Nagyon fontos, hogy a hőszivattyú berendezés megfelelően kerüljön a rendszerben illesztésre, függetlenül attól, hogy bármilyen jó paraméterekkel, COP-val rendelkezik, ellenkező esetben nagyobb költségekkel fog járni a működése, mint egy helyesen megtervezett és kivitelezett hőszivattyús berendezés. Ahhoz, hogy meg tudjuk határozni a COP maximális értékét szükséges a hűtőközegek tulajdonságainak bemutatása és kivizsgálása egyaránt. A megújuló energiaforrások fokozott mértékű alkalmazásának egyik kitűnő lehetősége a hőszivattyúk alkalmazása. A hőszivattyúk a megújuló és a hulladékenergiák hasznosításával elősegítik a fosszilis tüzelőanyagok gazdaságosabb felhasználását, így jelentősen mérsékelik az építmények energiaellátásának üzemeltetési költségeit. Energetikai szempontból kedvező, hogy a hőszivattyúk alkalmazhatók épületek fűtésére, hűtésére és használati melegvíz előállítására is. Napjaink egyik leghatékonyabb eszköze annak, hogy energiát takarítsunk meg és a szén-dioxid kibocsátást csökkentsük. A legnagyobb energia megtakarítást az energiatermelés és felhasználás ésszerűsítésével, az építmények hőveszteségének csökkentésével, valamint a fűtőberendezések optimális kiválasztásával és üzemeltetésével érhetjük el. Az épületgépészetnek a fűtési technológiák korszerűsítésével a közeljövőben várhatóan nélkülözhetetlen berendezése lehet a hőszivattyú. A hőszivattyú energetikai hatásfokának javítása és az üzemeltetés minőségének emelése megkerülhetetlenné teszi, hogy törekedjünk a hőszivattyú üzemének, a benne zajló folyamatok mind pontosabb leírására, az azt megalapozó fizikai, matematikai modellek fejlesztésére és finomítására. A hőszivattyú matematikai modellje lehetővé teszi az optimális rendszerek kialakítását, gazdaságosabb megoldások keresését, üzemi jellemzők kiértékelését valamint élettartam és költségtervezést. A hőszivattyú matematikai modellalkotással Nyers et al. [1], Zhang et al.[2], Garbai et al. [3], Kassai et al. [4], Poós et al. [5] és optimalizással Nyers et al. [6], Szánthó Z [7], Garbai et al. [8] foglalkoztak. A hőszivattyú energetikai optimuma akkor áll elő, ha a COP maximális értéket vesz fel. Maximális energetikai hatásfokot akkor érünk el, ha a hőt minimális befektetett mechanikai munka felhasználásával szállítjuk a felhasználás helyére. Jelen cikkünkben vizsgálatainkat kiterjesztettük a hőszivattyús rendszer hatásfokának COP értékének vizsgálatára,,, és típusú hűtőközegek függvényébe, mivel a hűtőközeg a hűtőberendezés körfolyamatában hőenergia-szállítóként vesz részt. Szabadkai Műszaki Szakfőiskola 2015 2
II. A KÖZBENSŐ HŐCSERÉLŐVEL ELLÁTOTT KOMPRESSZOROS HŐSZIVATTYÚ FIZIKAI MODELLJE A berendezés 5 fő szerkezeti eleme az elpárologtató, a kompresszor, a közbenső hőcserélő, a kondenzátor és a fojtó szelep. Az elpárologatóban a hűtőközeg elpárolgással átveszi a hőt az alacsonyabb hőfokú hűtött közegtől, ezáltal az itt képződött gőz p 0 elpárolgási nyomásról és t 0 hőmérsékletről bekerül a közbenső hőcserélőbe, ami az elpárolgási hőmérsékletről a túlhevített gőzt lehűti t k hőmérsékletre, míg az elpárolgási nyomás megnövekszik p k nyomásra. Az elpárologtató végén némi túlhevítésre is sor kerülhet, ami azt jelenti, hogy kilépő hűtőközeg-gőz hőmérséklete néhány kelvinnel nagyobb lesz, mint az elpárolgási hőmérséklet. Az így kapott, meghatározott állapotú hűtőközeget beszívja a kompresszor. A kompresszor feladata, hogy a meghatározott térfogatáramú hűtőközeg-gőzt szállítsa egy alacsonyabb nyomású térből egy nagyobb nyomású térbe, gyakorlatilag magasabb energiaszintre emeli, komprimálja, azaz sűríti a p c kondenzációs nyomásra. Mindez mechanikai munka befektetése mellett megy végbe. A kondenzátor feladata az elpárologatóban felvett hőáramnak és a kompresszorban a komprimáláshoz bevezetett energiaáramnak valamilyen atmoszférikus közegnek (víznek vagy levegőnek) való leadása, a kompresszorból érkező hűtőközeg cseppfolyósítása során. Mivel a hűtőközeg-gőz nagy hőmérsékleten, túlhevített állapotban érkezik a kondenzátorba, először szükséges elvonni a túlhevítési hőt, majd amikor a gőz eléri a nyomásnak megfelelő t c telítési hőmérsékletet, megkezdődik a kondenzáció. A túlhevített gőz a kondenzálódás után pótolja az elpárolgott hűtőközeget az elpárologtatóban és a közbenső hőcserélőben. A kondenzációs nyomású folyadékáram a kondenzációs hőmérsékletről utóhűl t u hőmérsékletre a közbenső hőcserélőn keresztül. Az utóhűtés hőmérsékletét a p k közbenső nyomáshoz tartozó t k hőmérséklet és a hőcserélő felülete határozzák meg. ( t u > t k ) Azonos feltételek mellett az utóhűtés által csökken a kompresszorral szállítandó hűtőközeg-áram, következésképpen az utóhűtés javítja a körfolyamat teljesítménytényezőjét. Az adagolószervek a hűtőberendezések ötödik fő szerkezeti elemét képezik, bennük megy végbe a nyomáscsökkenés a kondenzációs nyomásról az elpárolgási nyomásra, a szükséges mennyiségű hűtőközeg beadagolása az elpárologatóba a rendszer helyes működéséhez, valamint üzemszünet esetén a kondenzátor és az elpárologtató közötti szakasz lezárása. 1. ábra: a hőszivattyú sematikus ábrázolása Szabadkai Műszaki Szakfőiskola 2015 3
III. A KÖZBENSŐ HŐCSERÉLŐVEL ELLÁTOTT HŐSZIVATTYÚ MATEMATIKAI MODELLJE Fajlagos hőelvonás: q 0 = h 3 h 2 = i 1 [ kj kg ] (1) Fajlagos hőleadás: q c = h 4 h 1 [ kj kg ] (2) Fajlagos kompresszormunka: W i = h 4 h 3 [ kj kg ] (3) A körfolyamat hőmérlege: q c = q 0 + W i (4) A hűtőközeg tömegárama: A kompresszor ideális teljesítményfelvétele: A kompresszor által elszívott gőz térfogatárama: m = Q 0 q 0 [ kg s ] (5) P i = m W i [kw] (6) V = m v 3 [ m3 s ] (7) A hűtőkompresszor geometriai adataiból számított elméleti szállítóteljesítmény, amit egy d furat, s löket, n fordulatszám, z hengerszám határoz meg: V geo = d2 π s n z [m3 ] (8) 4 60 s A kompresszorban található hűtőközeg szállítását csökkentő tényezőket a szállítási fokkal vesszük figyelembe: V geo = V [m3 s ] (9) sz = ɳ v ɳ F ɳ T (10) ɳ v volumetrikus hatásfok ɳ F falhatásfok ɳ T tömítetlenség, résveszteség Volumetrikus hőelvonás-egységnyi térfogatú hűtőközeg által kifejtett hűtőhatás: q 0v = q 0 [ kj v sz m 3] (11) Szabadkai Műszaki Szakfőiskola 2015 4
Eme adatok ismeretében a kompresszor által elszállított hűtőközeg térfogatárama: Keringésben lévő hűtőközeg tömegárama: A belső hőcserélőben lévő hűtőközeg-áramok: V = Q 0 q 0v [ m3 s ] (12) m = V geo v sz [ kg s ] (13) q BH = h 1 h 1 = c (t u t u) (14) q BH = h 3 h 3 = c p (t t t t ) (15) q 0 > q 0W > W (16) A fajlagos hűtőteljesítmény vagy más néven COP teljesítménytényező, amely a Q 0 és a P teljesítmény viszonyát meghatározza: ε i = Q 0 P i (17) 2. ábra: A munkafolyamat ábrázolása a log p-h diagramon: Szabadkai Műszaki Szakfőiskola 2015 5
IV. A KÖZBENSŐ HŐCSERÉLŐVEL ELLÁTOTT KOMPRESSZOROS HŐSZIVATTYÚ MUNKAKÖZEGÉNEK ELEMZÉSE A hűtőközegek a hőszivattyú berendezés belső tartományában végbemenő zárt körfolyamatban végzik a hő szállítását. Az,, és az munkaközegek kerültek kivizsgálásra. Minden olyan folyadék illetve folyadék-keverék alkalmazható hűtőközegként, amely kis hőmérsékleten könnyen elpárologtatható, és cseppfolyósítható, jól kezelhető nyomás- és hőmérséklethatárokon. Meghatározott vegyi, ökológiai, hűtési feladattal és a tárolásukkal kapcsolatos követelményeknek kell eleget tenniük ahhoz, hogy alkalmazni tudják őket. Minden hűtőközeg rendelkezik saját log p-h diagrammal illetve gőztáblázattal. A diagram szemlélteti a munkaközeg energiaátalakulási és energiaátviteli állapotváltozásait. Vízszintes tengelyen a fajlagos entalpia (h) értékei vannak feltűntetve, a beosztások egyenletesek, míg a függőleges tengelyen a nyomás (p) nem lineáris, hanem logaritmikus osztással. A log p-h diagramok egységnyi tömegű hűtőközegre vonatkoznak (m=1kg), valamint a közeg telített folyadékállapotához, ami 0 C hőmérsékletű, 200 kj/kg fajlagos entalpiaérték van hozzárendelve. A következő táblázatban ezeknek a munkaközegeknek mutattuk be a termodinamikai és fizikai jellemzőit. 1. Táblázat: A hűtőközegek fizikai jellemzői: Megnevezés Összetétel Normál forráspont Párolgáshő CHF 2 Cl -40,75 C 234 kj/kg CH 2 F-CF 3-26,2 C 215 kj/kg zeotrop -44,0 C 247 kj/kg azeotrop -52 C 237,8 kj/kg 2. Táblázat: A hűtőközegek gőznyomása meghatározott hőmérsékleten: Megnevezés Gőznyomás -30 C-on -0 C-on 40 C-on 1,64 bar 4,97 bar 15,36 bar 0,85 bar 2,93 bar 10,16 bar 1,37 bar 4,52 bar 15,17 bar 2,75 bar 10,82 bar 23,98 bar Szabadkai Műszaki Szakfőiskola 2015 6
A kompresszor teljesítménye [kw] Tömegáram [kg/s] COP [-] Térfogat kapacitás [kj/ml] V. SZIMULÁCIÓS EREDMÉNYEK BEMUTATÁSA A belső hőcserélővel ellátott kompresszoros hőszivattyú működését a Solkane8-program segítségével vizsgáltuk ki, az így kapott eredmények bemutatása grafikonos formában történt. INPUT TUT Matematikai modell OUTPUT A. A szimuláció kezdő paraméterei: Elpárologató: Kompresszor: t 0 = 0 C ɳ= 0,8 t tul = 5 K Belső hőcserélő: p e = 0,5 bar T= 5 K Q HK = 10 kw Kondenzátor: t c = 45 C p c = 0,5 bar 4,2 5000 4 4000 3,8 3000 3,6 2000 3,4 1000 3,2 0 1. diagram: A teljesítménytényező értéke különböző hűtőközegekre 3. diagram: A hűtőközegek térfogat kapacitása 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 0,06 0,058 0,056 0,054 0,052 2,3 0,05 2. diagram: A kompresszor teljesítménye 4. diagram: A hűtőközegek tömegárama Szabadkai Műszaki Szakfőiskola 2015 7
Nyomáskülönbség [bar] Közbenső hőcserélő teljesítménye [kw] Nyomásviszony 2 4,2 1,5 1 0,5 4 3,8 3,6 3,4 3,2 0 3 5. diagram: A közbenső hőcserélő teljesítménye 7. diagram: Nyomásviszony 25 20 15 10 5 0 6. diagram: Nyomáskülönbség Szabadkai Műszaki Szakfőiskola 2015 8
VI. A SZIMULÁCIÓS EREDMÉNYEK ELEMZÉSE Az adott peremfeltételek mellett a szimulációs eredmények alapján megállapítható hogy a kompresszoros közbenső hűtővel ellátott hőszivattyú legnagyobb COP értéket (1. ábra) az hűtőközeg alkalmazásával érhető el. Míg hűtőközeg esetén a hőszivattyúnak a legalacsonyabb a hatásfoka az általunk vizsgált hűtőközegek közül. A 2. ábrán jól látható hogy a fentebb említett tendencia megfordult. A hőszivattyú kompresszorának az energia igénye a legkisebb az hűtőközegre vonatkoztatva, míg az esetén a legnagyobb, ami természetesen a legalacsonyabb COP értéket eredményezte. A 3. ábrán látható a hűtőközegek térfogat kapacitása mely szintén a 2. ábránál említett a felállást követi. A 4. ábrán a hűtőközegek tömegárama van ábrázolva, könnyen leolvashatjuk, hogy az munkaközeg rendelkezik a legmagasabb tömegárammal, míg az a legalacsonyabbal. Az 5. ábrán a közbenső hőcserélő teljesítmény igénye látható és megállapítható, hogy az hűtőközeg esetén a legkisebb a hőcserélő teljesítménye. A 6. ábrán bemutattuk a hűtőközegek nyomáskülönbségeinek értékét, amelyből következik, hogy a legalacsonyabb tömegáramú hűtőközeg, azaz az alkalmazásakor uralkodik a legmagasabb nyomáskülönbség a hőszivattyúban, ami a kompresszor legnagyobb teljesítmény igényét vonja maga után. Az hűtőközeg esetében pedig a legkisebb kompresszor teljesítmény igényt. A 7. ábra a nyomásviszonyok különbségéről ad bizonyosságot, melyen látható hogy az hűtőközeg esetén a legmagasabbak a nyomásviszonyok, mivel ez a munkaközeg rendelkezik a legkisebb parciális nyomásokkal a berendezés működése közben. Így az említett hűtőközeget előszeretettel alkalmazzák kis teljesítményű hőszivattyúknál, klíma berendezéseknél mivel alacsony nyomás uralkodik a hőcserélőkben így geometriailag nem igénylik a nagy robosztus méretet. A kapott eredmények kivizsgálása után kijelenthetjük, hogy a közbenső hőcserélővel ellátott kompresszoros hőszivattyú akkor fogja a legmagasabb hatásfokot produkálni, ha a vizsgált munkaközegek közül az hűtőközegre bocsátkozunk. Az 1990-es évek elején jelent meg, mint az R12 alternatívája. Nagyon kedvező termodinamikai paraméterekkel rendelkezik. Mivel azonban halogénezett szénhidrogén, így környezetbarátnak sajnos nem tekinthető. A globális felmelegedésben játszott szerepe (GWP=1300) miatt az EK 842/2006 direktíva száműzte az autóipari alkalmazásból, mint hűtőközeg. Azonban még manapság is számos személyautókban illetve fűtő- és hűtő berendezésekben is megtalálható mint munkaközeg. Szabadkai Műszaki Szakfőiskola 2015 9
VII. IRODALOM [1] Nyers J, Nyers A. Investigation of Heat Pump Condenser Performance in Heating Process of Buildings using a Steady-State Mathematical Model. Energy and Buildings. 2014:75:523 530. [2] Zhang J, Wang R.Z, Wu J.Y. System optimization and experimental research on air source heat pump water heater, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 1029 1035. [3] Garbai L, Méhes Sz. Energy analysis of geothermal heat pumps with U-tube installations Exploitation of Renewable Energy Sources (EXPRES), 2011 IEEE 3rd International Symposium, 2011/3/11. pp. 107-112. [4] Kajtar L, Kassai M, Banhidi L. Computerised simulation of energy consumption of air handling units. Energy and Buildings, DOI: 10.1016/j. enbuild. 2011.10.013, p. 54-59. [5] Poós T, Örvös M. Heat- and mass transfer in agitated, co- or countercurrent, conductive-convective heated drum dryer. Drying Technology. 2012; 30:1457-1468. [6] Nyers J, Garbai L, Nyers A. A modified mathematical model of heat pump's condenser for analytical optimization. Energy: doi: 10.1016/j. [7] Szánthó Z. Determining the optimal schedule of district heating. Periodica Politechnica. Mech. Eng. 2000; 44:285-300. [8] Garbai L, Jasper A, Magyar L. Probability theory description of domestic hot water and heating demands, Energy and Buildings, Volume 75, June 2014, Pages 483-492. Szabadkai Műszaki Szakfőiskola 2015 10