LØSNINGSFORSLAG. Eksamen i Fag SIO 7050 Varmepumpende prosesser og systemer Tirsdag 22. mai 2001

Transkript

1 LØSNINGSFORSLAG Eksamen i Fag SIO 7050 Varmepumpende prosesser og systemer Tirsdag 22. mai 2001 Oppgave 1 a) t R 0 C t sjøvann 15 C t o -8 C t K + 20 C Anlegget består av 4 hovedkomponenter: Fordamper hvor kuldeytelsen Q o tas opp fra rommet. Dette skjer ved at kompressoren suger av så mye medium at trykket p o og fordampningstemperatur t o blir lavere enn romtemperaturen t R, slik at varme kan strømme inn/fjernes fra rommet. Varmen (kuldeytelsen) forårsaker fordampning av kuldemediet. Kompressor som suger av den fordampede kuldemediemengden (holder trykket nede) og øker trykket så mye at trykket i kondensator blir høyt nok til at kuldemediet kan kondenseres. Denne trykkøknngen (kompresjonen) krever tilførsel av arbeid W. Kondensatoren hvor trykket p K og tilhørende kondenseringstemperatur t K er høyere enn temperaturen i omgivelsene/kjølevann t sjøvann. Dermed kan varme avgis i en mengde Q Kmcl som er stor nok til å kondensere det kuldemediet som kompressoren sirkulerer.

2 Strupeventil trykkreduksjonsventil som slipper kuldemediet tilbake til fordamper for å ta opp varme på nytt, samtidig som trykket reduseres fra p K til p O. Fra tabeller og diagram: h ,7 kj/kg h kj/kg h 3 292,2 kj/k s 3 1,323 kj/kg K h 4 292,2 kj/kg s 4 1,35 kj/kg K Sirkulert mengde G& Q& m& sirk 0,08629 kg s h h sirk / 1 4 ( 1457,7 292,2) Isentropisk effektbehov Virkelig effektbehov ( h h ) 0,08624 ( ,7 ) 12, kw W& is m& sirk

3 W& W& η 12,36 is komp 17, 9 is 0,69 kw Innsugd volumstrøm kompressor V& 3 3 inns m& sirk v1 0, ,387 0,03337 m / s 120,1m / h Nødvendig slagvolum V V& inns 120,1 3 3 s & 138,1 m / h 0,03836 m / s X 0,87 Anleggets kuldefaktor ε Q& s W& K 100 5, Absolutt b) Minste effektbehov (reversibel prosess) får vi ved en Carnotprosess mellom romtemperatur og sjøvannstemperatur TR 283 K Tsjøvann K W & Tsjøvann TR Q & O 100 5, 49kW T 273 min R Tapene som bidrar til at effektbehovet øker er 1. Varmevekslertap ( W vv ) som skyldes at det koster energi å transportere varme inn og ut av anlegget 2. Prosesstap som skyldes at kompressorkuldeanleggets prosess ikke følger en Carnotprosess - W prosess. Dette prosesstapet består av strupningstap W 1, og overhetningstap W 2

4 3. Kompressortap som skyldes at selve kompressoren ikke er en ideell tapsfri maskin - W kompr W vv W 2 W min Q 0 W 1 Tapenes størrelse 1) Varmevekslertapet Beregner effektbehov for en Carnotprosess mellom t O og t K T O K T K K T T W & K O C 2 Q & , 57 kw T 265 Varmevekslertapet er da: O W& vv W& C 2 W& min 10,57 5,49 5, 08kW 2) Prosesstapet

5 W& prosess W& is W& c2 12,36 10,57 1, 79kW Strupningstapet: W& Overhetningstapet ( s s ) 0, ( 2,35 1,323) 0, kw m& sirk TK W& W& prosess W& 1,79.0,68 1, 11kW 2 1 (vanskeligheter med nøyaktigheten) 3) Kompressortapet W& kompr W& K W& is 17,9 12,36 5, 54 kw Fordi temperaturløftet er så moderat (28 C) blir prosesstapene forholdsvis små. Det er varmevekslertapene og kompressortapet som dominerer. c) Dersom anlegget ikke hadde ligget ved sjøen måtte vi benyttet en luftkjølt kondensator. Det innebærer at anlegget må designes med en høyere kondensatortemperatur og trykk p K. h f h k 1) Kompressorens slagvolum må være større, 1) fordi sirkulert mengde må øke ( h f minker) 2) fordi leveringsgraden faller pga høyere trykkforhold 2) Kompressorens effektbehov vil antagelig øke 1) sirkulert megde må øke ( h f mindre) + 2) h kompressor øker + 3) Virkningsgraden kan bli noe bedre pga virkningsgradskurver -

6 V s W Q0 v h Q0 h f f 1 1 λ h k 1 η

7 Oppgave 2 a) Hovedfoskjeller mellom måten en stempel- og skruekompressor arbeider på: Stempelkompressor: - Fram- og tilbakegående stempel i sylinder - Veivmekanisme som driver stemplet/stemplene - Arbeidsprosess med re-ekspansjon, innsug, kompresjon og utblåsning - Trykkstyrte (automatiske) ventiler - Skadelig volum - De viktigste energitapene er veggtap (oppvarming av gassen), og trykktap i ventiler ved innsugning/utblåsning. Reekspansjon av skadelig volum gir volumetrisk tap (redusert leveringsgrad) Skruekompressor: - Kun roterende deler - Ingen ventiler - Ikke skadelig volum - Utblåsning styres av porter - Innebygget volumforhold -> trykkforhold - De viktigste tapene er lekkasje, og tap ved over/underkompresjon. b) De viktigste prinsippene for kapasitetsregulering av stempelkompressorer er: - Løfting av sugeventiler (kan med fordel skisseres) - Av/på regulering - Turtallsregulering - Struping på sugesiden - By-pass fra trykkside til sugeside c) Skruekompressorer brukes mest i større anlegg. En viktig grunn til at skruer lages stort sett for større ytelser er at det lar seg vanskelig gjøre å redusere klaringer og pasninger ved reduksjon av rotordimensjonene. Disse klaringene bestemmer omfanget av interne lekkasjetap i maskinen. Når volumtransporten gjennom kompressoren reduseres ved at en reduserer rotordimensjonene ( krymper maskinen) vil gass-lekkasjestrømmene få stadig større relativ betydning, og virkningsgraden for kompressoren reduseres tilsvarende. Skruekompressoren krever dessuten utstyr for oljeutskilling, -kjøling og innsprøytning, noe som ikke vil være aktuelt i mindre anlegg. En kommentar når det gjelder stempelmaskiner: På grunn av begrensninger i stempelhastigheten er det grenser for hvor stort sylindervolum man kan ha i en stempelmaskin, og etterhvert som antall sylindre øker vil maskinen bli både komplisert og dyr (Hver sylinder skal ha ventiler etc., og gassen skal

8 føres til og fra hver sylinder). Det er derfor uaktuelt å bygge stempelmaskiner for svært stor ytelse. Oppgave 3 a) Varmeeffektbehovet i bygget varierer sterkt over året, og hvis varmepumpen ble dimensjonert for å dekke hele effektbehovet ved laveste utetemperatur måtte den kjøres på dellast mesteparten av fyringssesongen. Dellastkjøring gir redusert effektfaktor og dermed større energiforbruk. Dessuten blir investeringene større for et større anlegg. Begge disse faktorene (lav varmefaktor og dyrt anlegg) gjør at driftsøkonomien blir dårlig. Varmepumpen er først og fremst en energileverandør, og selv om den dekker bare ca halvparten av effektbehovet vil den dekke ca 90% av energibehovet til oppvarming. Her kan en med fordel illustrere med et effekt/varighetsdiagram b) Spisslastkjelen må kobles til på varmedistribusjonskretsens turledning etter varmepumpen, slik at kjelen ettervarmer vannet når varmepumpen ikke klarer å tilføre nok varme. På denne måten sikres best mulig utnyttelse av varmepumpen, og den får arbeide med lavest mulig kondenseringstemperatur. c) CO 2 har vesentlig lavere kritisk temperatur (ca 31 o C) enn de konvensjonelle kuldemediene, som gjerne har kritisk temperatur rundt 100 o C. Ved å øke trykket i høytrykksiden i CO 2 -anlegget over kritisk trykk vil varme avgis ved glidende temperatur. Temperaturforløpet for kuldemediet kan dermed tilpasses temperaturforløpet for vannet som skal oppvarmes, slik at en oppnår minimal temperaturdifferanse. Dette gir igjen reduserte termodynamiske tap, og høy varmefaktor. I et anlegg med R-134a som kuldemedium vil mesteparten av varmen avgis ved konstant temperatur (kondensasjon), og kondenseringstemperaturen må være i størrelsesorden lik høyeste vanntemperatur. Dette gir vesentlig større temperaturdifferanse mellom vann og kuldemedium, større termodynamiske tap ved varmeoverføringen, og dermed lavere varmefaktor. Her kan en med fordel vise prosessene og temperaturfor CO 2 og R-134a i Ts-diagrammer.

9 Oppgave 4: SUPERMARKED a) Alternativ 1: Tørrfordampere krever kuldemedium som egner seg for denne type væskestyring og vil vanligvis være et halogenkuldemedium (R134a vil være typisk) Mange fordampere plassert rundt i butikken krever mye rørføring, og det er stor fare for lekkasjer, feil ved ventiler osv. Lange rør gir ofte store trykktap. Felles kompressor og kondensator krever samme sugetrykk og en må sikre mot kondensasjon i fordamper og med lavest temperatur. (Dette har jeg tatt opp både ved forelesning og repetisjon) Kan få store forskjeller i ytelse etter hvilke rom/reoler som krever kulde. Må sikre oljeretur og styring av kompressor slik at ikke sugetrykk blir for lavt og en får unødvendig høyt energibruk. Lekkasjer, feil ved ventiler osv. kan lett gi store vedlikeholdskostnader. Alternativ 2: Gir et system med mulighet for å ha alle krevende kuldekomponenter på ett sted. Gir korte rør, få komponenter osv., og redusert behov for vedlikehold. Liten fare for lekkasje på grunn av ovenstående og lekkasje bare i maskinrom. Kan derfor stå fritt med valg av kuldemedie. Gir en ekstra temperaturdifferanse i forhold til direkte system, teoretisk sett noe større energibruk. På grunn av korte rør, lite trykktap, bedre styring, kortere driftstid på kompressor/magasinering av kulde i lake, blir oftest energibehovet lavere. Ved riktig system/anlegg gir dette bedre kontroll med temperaturen og økt driftssikkerhet. b) NH 3 er et medium som krever kontroll med lekkasje på grunn av lukt/panikkfare og brennbarhet (i spesiell blanding) osv. Kuldeteknisk sett meget egnet medium som gir stor ytelse pr. slagvolum.

10 LAKE KRETS NH 3 anlegg NH 3 anlegget har to kompressor for sikkerhet og en kompressor er ute av drift og for bedre regulering. Denne setningen må vel rettes! Oljeutskiller er vikig siden olje ikke er løselig (vanligvis) i mediet. (Tappes av i bunn av receiver/v.utskiller). NH 3 egner seg ikke for tørrfordampere. Med en fordamper kan en bruke selvsirkulasjonsfordamper.