pompy ciepła wykład 3.pdf

Elementy konstrukcyjne pomp ciepła

SpręŜarki

Pompy ciepła

elementy składowe

•SpręŜarka

jest to maszyna robocza, za pośrednictwem

której doprowadzana jest praca niezbędna do

realizacji obiegu pompy ciepła

•SpręŜarka

spręŜa parę czynnika do takiego ciśnienia,

któremu odpowiada temperatura nasycenia

umoŜliwiająca uŜyteczne wykorzystanie ciepła

przegrzania i skraplania pary czynnika

roboczego.

Dorota Chwieduk

Rodzaje spręŜarek

SpręŜarki tłokowe

SpręŜarka nieprzelotowa –zawór ssawny i tłoczny umieszczone w

płycie zaworowej stanowiącej część głowicy cylindra

a) SpręŜarki bezdławnicowe hermetyczne

Spawane uszczelnienia o długiej Ŝywotności – mniejsze spręŜarki

( kilka kW). Silnik elektryczny wewnątrz

b) Bezdławnicowe półhermetyczne

Silnik elektryczny wewnątrz. Obudowa rozbieralna zwykle

skręcana śrubami. Moc rzędu kilkudziesięciu kW

c) Otwarte dławnicowe

Napędzane silnikiem zewnętrznym poprzez wirujący wał. Wał jest

uszczelniony w stosunku do obudowy za pomocą uszczelnienia

mechanicznego – dławnicy. DuŜe moce powyŜej 100 kW

zawór

objętość

skokowa

połoŜenie

martwe tłoka

górne

Przestrzeń

szkodliwa

połoŜenie

martwe

tłoka

dolne

para o niskim

ciśnieniu

Para o wysokim

ciśnieniu

1. tłokowe (tłok wykonuje ruch posuwisto – zwrotny, do 200 kW)

2. rotacyjne (z tłokiem obrotowym) np. łopatkowe (do 10 kW)

3. Spiralne (5 70 kW)

4. Śrubowe (150 1600 kW)

5. Odśrodkowe (od 350 kW)

wał korbowy

Konstrukcja spręŜarki tłokowej A cylinder, B – tłok, C – wlot z przewodu ssącego, D – wylot

do skraplacza, E – zawór ssawny (wlotowy), F – zawór tłoczny (wylotowy), G – połoŜenie tłoka

wskazuje objętość zassanej pary do cylindra w czasie suwu ssania, H połoŜenie tłoka pod

koniec suwu tłoczenia – koniec spręŜania

SpręŜarka tłokowa

hermetyczna

spręŜarki rotacyjne

Kierunek obrotu

Czynnik jest zasysany i spręŜany dzięki

ruchowi obrotowemu tłoka w cylindrze

Wykorzystanie wirującego tłoka eliminuje

stosowanie układu korbowego,

dzięki czemu budowa urządzenia jest

zwarta i hałas mniejszy .

SpręŜarka rotacyjna ma mniejszą masę

i wymiary oraz większą niezawodność

działania niŜ tłokowa .

SpręŜarka jest

u góry

Silnik na dole

Zamontowane

na spręŜynach

w kopule

Z parownika

Do skraplacza

Zamontowanie wirnika

Wirujący tłok jest osadzony mimośrodowo względem cylindra .

Tłok styka się ze ścianką cylindra wzdłuŜ tworzącej.

W czasie jego obrotu linia styczności przesuwa się po obwodzie cylindra.

Przestrzeń w cylindrze jest podzielona na część ssawną (niebieska) i tłoczną (róŜowa).

para o niskim ciśnieniu

para o wysokim ciśnieniu

SpręŜarka rotacyjna z 8 łopatkowym wirnikiem:

C – otwór wylotowy, D – przemieszczenie, E – wylot, I – otwór wlotowy, S – zasysanie

A – wirnik silnika, B – stojan silnika, C –cylinder spręŜarki, D – tłok spręŜarki, E – wał korbowy, G – korba, H –

obudowa spręŜarki, I – uszczelnione połączenie elektryczne przechodzące przez obudowę

Otwór wlotowy jest znacznie większy niŜ wylotowy, aby zebrać odpowiednio duŜo pary

czynnika chłodniczego z części niskociśnieniowej

SpręŜarki spiralne

Wirnik i stojan

Para wchodzi do otwartego wejścia

utworzonego pomiędzy orbitami spiral

Wejście zamyka się szczelnie i para

jest zasysana do wnętrza przestrzeni

pomiędzy orbitami spiral

W miarę ruchu spirali ruchomej

para jest wtłaczana do coraz

mniejszych przestrzeni

Zalety

w porównaniu ze spręŜarkami tłokowymi

mniejsza liczba elementów ruchomych;

mniejsze wymiary

większa odporność na uderzenia

hydrauliczne

niski poziom hałasu

niewielkie wibracje

długa Ŝywotność do 80 000 100 000

godzin

SpręŜanie ma miejsce dzięki

wzajemnemu oddziaływaniu spiral

o zarysie ewolwent, ruchomej i

nieruchomej.

Spirale są obrócone względem

siebie o kąt 180 0 .

Ruchoma spirala toczy się po

powierzchni drugiej, wykonując

ruch postępowy zgodnie ze

wskazówkami zegara. Dzięki temu

tworzą się zamknięte objętości,

które przemieszczają się w tym

samym kierunku, a ich wielkość

maleje, wskutek czego wzrasta

ciśnienie pary czynnika zawartego

w tych przestrzeniach.

Ostatecznie para dociera do

części centralnej, gdzie

osiąga wymagane ciśnienie

W rzeczywistości wszystkie przestrzenie

pomiędzy znajdują się na róŜnym

Poziomie spręŜania, co powoduje Ŝe

zasysanie i wytłaczanie są procesami

prawie ciągłymi

Wylot pary czynnika roboczego

o wysokim ciśnieniu

SpręŜarki śrubowe

SpręŜarka dwuśrubowa

spirale

A śruba napędowa

B śruba napędzana

C korpus

Wlot pary czynnika roboczego

o niskim ciśnieniu

SpręŜarki spiralne

SpręŜanie pary zachodzi w przestrzeni utworzonej przez zazębiające się śruby (wirniki).

Śruba napędowa ma zęby półkolisto wypukłe

Śruba napędzana ma rowki półkolisto wklęsłe.

Śruby mają róŜną liczbę zębów.

Dzięki temu, powstają przestrzenie wędrujące w kierunku poziomym, w których spręŜana jest

para czynnika.

SpręŜarka śrubowa otwarta

SpręŜarka śrubowa

zasysanie

wylot

zasysanie

wylot

zasysanie

wylot

zasysanie

wylot

zasysanie

wylot

Działanie spręŜarki śrubowej

A przestrzeń między zębami śrub zaczyna wypełniać się parą, B –początek spręŜania C –

całkowite spręŜenie zassanej pary, D – początek wypychania spręŜonej pary, E – spręŜona para

całkowicie usunięta

SpręŜarka śrubowa ze śrubowymi wirnikami A wlot, B – wirnik jałowy napędzany, C – napędzana

sekcja cylindra, D – uszczelnienie wału, E – wał napędowy, F – wylot, G napędzająca sekcja

cylindra, H – napędzany silnikiem wirnik napędzający, J – kontrola wydajności (przepustowości)

SpręŜarki śrubowe

Zalety

w porównaniu ze spręŜarkami tłokowymi

• występuje tylko ruch obrotowy → nie ma pulsacji przepływu i wibracji;

• nie ma zaworów roboczych;

• niewraŜliwe na uderzenia hydrauliczne;

• moŜliwa bezstopniowa regulacja mocy grzejnej w przedziale 20 – 100%

mocy maksymalnej.

Parownik

1 SpręŜarka 5 spręŜanie

2 Skraplacz 6 skraplanie

3 Zawór rozpręŜający 7 rozpręŜanie

4 Parownik

8 parowanie

Parownik ma za zadanie

pobrać ciepło ze źródła ciepła i oddać je czynnikowi roboczemu w celu jego odparowania

Temperatura parowania jest niŜsza niŜ temperatura źródła ciepła.

Para nasycona

Faza gazowa w kontakcie z wrzącą cieczą o temperaturze równej temperaturze

wrzenia cieczy

Para nasycona jest w stanie równowagi trwałej z wrzącą cieczą

Temperatura nasycenia

Odpowiada stanowi równowagi trwałej między cieczą a gazem, dla danej cieczy jest

funkcją tylko ciśnienia

Punkt krytyczny

PowyŜej nie jest moŜliwe istnienie stanu ciekłego

Temperatura krytyczna

NajwyŜsza wartość temperatury , przy której ciało moŜe istnieć jako ciecz

Cer² www.cer2.net

Q (-VE)

10°C początek strefy parowania

(punkt 4)

skraplacz

koniec rozpręŜania

L (-VE)

zawór

spręŜarka

ciekŁy czynnik

chŁodniczy

T 0

Q 0 (+VE)

Parownik

Q 0 (+VE)

W efekcie nieodwracalnego procesu dławienia –

mieszanka zimnej cieczy i gazu osiąga punkt 4 i wpływa do parownika.

Przegrzany czynnik

chłodniczy w

fazie gazowej

Udział fazy gazowej w czynniku wpływającym do parownika jest tym większy, im

większa jest róŜnica temperatur pomiędzy temperaturą czynnika w zaworze

rozpręŜającym a temperaturą parowania.

koniec parownika,

przegrzanie (punkt 1) 3°C

Proces parowania i przegrzania pary zachodzi przy stałym ciśnieniu wzdłuŜ 41

10°C koniec strefy parowania,

początek strefy przegrzania

Rodzaje budowy parowników

Parownik lamelowy zasilany powietrzem

Parowanie pośrednie

• W parowaniu pośrednim pomiędzy źródłem ciepła i czynnikiem

chłodniczym cyrkuluje dodatkowy nośnik ciepła

Parowanie bezpośrednie

Parowniki lamelowe

• rury miedziane lub aluminiowe, na których w celu powiększenia powierzchni wymiany ciepła

umieszczono lamele aluminiowe.

Odstępy pomiędzy lamelami zaleŜą od celu zastosowania.

• Przy temperaturach źródła dolnego w okolicy punktu zamarzania skondensowana woda

zamarza na powierzchni parownika i zmniejsza przez to wydajność parownika. →

• Parowniki muszą być poddawane regularnie procesowi rozmraŜania.

• Im dłuŜsza przerwa pomiędzy procesami rozmraŜania, tym większy musi być odstęp pomiędzy

lamelami.

Parownik płytowy zasilany wodą

Skraplacz

1 SpręŜarka 5 spręŜanie

2 Skraplacz 6 skraplanie

3 Zawór rozpręŜający 7 rozpręŜanie

4 Parownik

8 parowanie

Skraplacz ma za zadanie

odprowadzenie ciepła z obiegu termodynamicznego czynnika roboczego

i przekazanie go do nośnika ciepła w obiegu grzewczym (woda grzewcza, powietrze).

Temperatura skraplania jest wyŜsza niŜ temperatura wlotowa medium grzewczego.

W skraplaczu rozróŜnia się trzy róŜne strefy:

Q (-VE)

1. Odprowadzenie ciepła wynikającego

z róŜnicy temperatur (2 2’)

2. Skraplanie (2’3)

3. Przechłodzenie (33’)

L (-VE)

2’

3’

T 0

Q 0 (+VE)

Skraplanie

• Temperatura T 2’ odpowiada temperaturze skraplania T 3

• Gdy czynnik ochładza się do temperatury skraplania T 3 , rozpoczyna

się proces przemiany fazowej skraplania.

Temperatura skraplania wynika z panującego ciśnienia.

Skraplanie czynnika jest izotermiczne.

W obszarze tym wymiana ciepła zachodzi w sposób bardzo

intensywny.

Odprowadzenie ciepła wynikającego z róŜnicy temperatur (2 2’)

• Czynnik roboczy po spręŜeniu ma parametry odpowiadające punktowi 2

w obszarze pary przegrzanej.

• W skraplaczu czynnik roboczy oddaje najpierw ciepło wynikające z

róŜnicy temperatur T 2 T 2’.

• Wymiana ciepła w tej strefie skraplacza jest słaba z powodu stanu pary

jako mocno przegrzanego czynnika roboczego, bowiem wymaga ona

bardzo duŜych powierzchni (wymiany ciepła)

Straty wywołane stosowaniem

zaworu dławiącego zmniejsza się

poprzez dochładzanie cieczy

skroplonej w skraplaczu, polegające

na obniŜeniu temperatury tej

cieczy poniŜej temperatury

nasycenia .

Q (-VE)

Skraplacz płytowy

L (-VE)

3’

T 0

para

4’

Q 0 (+VE)

Przechłodzenie

• Gdy czynnik roboczy skropli się całkowicie rozpoczyna się przechłodzenie,

czyli odbiór ciepła prowadzący do obniŜenia temperatury cieczy

skroplonej w skraplaczu poniŜej temperatury nasycenia .

• Z powodu niskiej prędkości przepływu czynnika, wymiana ciepła w tej strefie

jest niewielka.

• JednakŜe efekt przechłodzenia powoduje, Ŝe przed elementem

rozpręŜającym w skroplonym czynniku nie tworzą się pęcherzyki gazu .

• Dzięki obniŜeniu temperatury z 3 do 3’ koniec dławienia w zaworze przesuwa się do 4’

• Zdławiona para moŜe odebrać więcej ciepła → rośnie wydajność chłodnicza

Skroplona ciecz

Zmiany ciśnień w obwodzie czynnika chłodniczego

W skraplaczu:

•

Przy wzroście wymagań grzewczych = wzrost temperatury wody grzewczej

→ wzrost ciśnienia

Inne elementy pomp ciepła

•

Przy spadku wymagań grzewczych = spadek temperatury wody grzewczej

→ spadek ciśnienia

Urządzenia do stabilizacji ciśnienia

KaŜda pompa ciepła musi być wyposaŜona w urządzenie zabezpieczające

przed przekroczeniem wysokiego ciśnienia.

Pressostaty działają bezpośrednio na zasilanie elektryczne urządzenia

powodującego spręŜanie czynnika chłodniczego (spręŜarka).

•

Zwiększenie powierzchni skraplacza → spadek ciśnienia

•

Zmniejszenie powierzchni skraplacza → wzrost ciśnienia

•

Zanieczyszczenie powierzchni skraplacza → wzrost ciśnienia

•

Zwiększenie przepływu wody grzewczej przez skraplacz → spadek ciśnienia

Pressostaty wykonane są jako:

Czujniki ciśnienia:

• Przy osiągnięciu nastawionego ciśnienia przerywają zasilanie

elektryczne spręŜarki .

•Stosowane są do ochrony przed wysokim ciśnieniem i przed niskim ciśnieniem

samoczynnie załączają spręŜarkę .

W parowniku:

•

Przy spadku temperatury źródła dolnego → spadek ciśnienia

•

Zanieczyszczenie powierzchni skraplacza → spadek ciśnienia

•

Zmniejszenie przepływu czynnika dolnego źródła przez parownik → spadek

ciśnienia

Ograniczniki ciśnienia:

• Przy osiągnięciu nastawionego ciśnienia przerywają zasilanie

elektryczne spręŜarki , ale są ręcznie resetowane

•Stosowane są do ochrony przed wysokim ciśnieniem i przed niskim ciśnieniem.

Wzrost róŜnicy ciśnień pomiędzy parownikiem→spadek efektywności pompy ciepła

Filtrosuszacz

Przy montaŜu, uruchomieniu lub naprawach do instalacji :

• czynnika chłodniczego,

• oleju

• elementów składowych

moŜe dostać się wilgoć z powietrza .

Para wodna skraplając się w obszarze elementu rozpręŜającego moŜe zamarzać

→ prowadzi to do jego zaczopowania.

Mogą tworzyć się kwasy szkodliwe dla uzwojenia silnika, spręŜarki i materiału

smarnego.

Wilgoć sprzyja powstawaniu elektrolitycznej korozji i patynowaniu miedzi

• osady miedzi w obszarze spręŜarki oddziaływają szczególnie negatywnie

Przedostanie się zanieczyszczeń prowadzi do:

• zaczopowania w elemencie rozpręŜającym

• wzmoŜonego zuŜycia spręŜarki .

Cel stosowania filtraosuszacz w obiegu czynnika chłodniczego :

• wiązanie wilgoci zawartej w czynniku chłodniczym ,

• wiązanie kwasów występujących w czynniku chłodniczym,

• oddzielanie zanieczyszczeń i innych ciał obcych .

Filtrosuszacz montowany jest w przewodzie czynnika w fazie gazowej

Wziernik

Urządzenie rozpręŜające moŜe sprawnie funkcjonować, gdy czynnik roboczy

ulegający rozpręŜaniu występuje w fazie ciekłej , co ma miejsce dzięki

przechłodzeniu.

Do wzrokowej kontroli stanu czynnika chłodniczego słuŜy wziernik .

Wziernik umieszcza się bezpośrednio przed urządzeniem rozpręŜającym w

przewodzie cieczy.

•Jeśli czynnik chłodniczy jest wystarczająco przechłodzony , to we wzierniku nie

widać pęcherzyków fazy gazowej .

•JeŜeli przechłodzenie nie występuje lub jest niewystarczając e, czynnik chłodniczy

zawiera pęcherzyki pary, co moŜna rozpoznać przez silne „bąbelkowanie“ we

wzierniku .

Przyczyny niedostatecznego przechłodzenia :

• niewystarczające napełnienie instalacji czynnikiem chłodniczym

• straty ciśnienia w przewodach, elementach odcinających, filtrach, osuszaczach

Inne przyczyny występowanie pęcherzyków pary przed urządzeniem rozpręŜającym:

zbyt duŜy spadek ciśnienia :

• bardzo zanieczyszczony filtrosuszacz , nawet przy odpowiednim przechłodzeniu

• zbyt duŜa róŜnica wysokości pomiędzy skraplaczem i urządzeniem rozpręŜającym

zbyt duŜe oddziaływanie ciepła z otoczenia

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: