Semesteroppgave. Varmepumpe

Transkript

1 Semesteroppgave Varmepumpe Sted: Kuldelaboratorium, Kolbjørn Hejes vei 1.d (til høyre for hovedinngangen til Kjelhuset) Målsetting: Etter å ha gjennomført semesteroppgaven skal studenten ha fått kjennskap til hvordan en varmepumpeprosess fungerer og kunne gjøre beregninger av varmefaktor og eksergivirkningsgrad for en slik prosess. Pensum: Labforelesning Varmepumper Kapittel 10.1,10.2 og 10.6 i Moran&Shapiro: Fundamentals of Engineering hermodymamics forutsettes lest før laboratorieforsøket. Del 1: Enkelt varmepumpeanlegg Figur Skisse av varmepumpe med R-134a som arbeidsmedium Del 1 av denne laboratorieoppgaven gir en innføring i hvordan en varmepumpe fungerer. Varmepumpen bruker R-134a som arbeidsmedium. En elektrisk varmekilde fungerer som varmekilde, og varmen avgis til romluften. Oppgave: Etter en gjennomgang av anlegget skal dere skrive opp navnet på alle hovedkomponentene A til H, og forklare funksjonen disse komponentene har i anlegget.

2 Del 2: Varmtvannsvarmepumpe med karbondioksid (CO 2 ) som arbeidsmedium Karbondioksid (CO 2 ) skiller seg fra de konvensjonelle arbeidsmediene ved sitt lave kritiske punkt (31,1 C). Det betyr at i de fleste varmepumpeanvendelser vil varmeavgivelsen måtte foregå over kritisk punkt ved såkalt superkritisk trykk. En vil da ikke lenger ha kondensasjon av mediet ved varmeavgivelse, men høytrykksgassen vil kjøles ved konstant trykk og glidende temperatur i en såkalt gasskjøler (vedlegg figur 1). Dette gjør at CO 2 -prosessen egner seg spesielt godt der hvor en har en betydelig temperaturdifferanse på varmeavgivelsessiden, ettersom temperaturtilpasningen mellom CO 2 og varmeopptaksmediet blir god og eksergitapet tilsvarende lite. Ved beredning av varmt tappevann skal nettvannet ved 5-15 C varmes opp til C, med andre ord en temperaturglidning i størrelsesorden C. CO 2 -prosessen egner seg derfor svært godt til varmtvannsberedning, og en vil typisk oppnå effektfaktorer mellom 3 til 5 avhengig av varmekildens temperatur og temperaturkravet på varmtvannet. Forsøksanlegget (vedlegg figur 2) består av en kommersielt tilgjengelig CO2- varmepumpe fra Denso (Japan), som benytter uteluft som varmekilde. Anlegget arbeider i en såkalt transkritisk prosess ved varmeopptak og varmeavgivelse ved hhv. underkritisk og overkritisk trykk. Anlegget har en nominell varmeytelse på ca. 4,5 kw. Varmtvannet lagres i to seriekoblede varmtvannstanker på totalt 300 liter. Anlegget er utstyrt med temperaturfølere (), trykkfølere (p), wattmeter (P) og energimåler (Q) dvs. mengdemåler og temperaturfølere: 1 - CO 2 sugegass inn på kompressor 2 - CO 2 trykkgass ut av kompressor 3 - CO 2 trykkgass inn på gasskjøler 4 - CO 2 trykkgass ut av gasskjøler 5 - CO 2 trykkgass inn på strupeventil 6 - CO 2 væske/gass inn på fordamper 7 - CO 2 sugegass ut av fordamper 8 - Vann inn på gasskjøler 9 - Vann ut fra gasskjøler p1 - Lavtrykk (sugetrykk) p2 - Høytrykk (leveringstrykk) P1 - Elektrisk effekt tilført kompressor og vifte Q1 - Varmeeffekt tilført tappevann F1 - Vannstrøm gasskjøler

3 Etter at anlegget er gjennomgått med hensyn til oppbygging og instrumentering, skal følgende oppgaver utføres: a) Gjennomfør to til tre måleserier på anlegget: emperatur Måling 1 Måling 2 Måling 3 Middelverdi [ºC] rykk [bar]1 Måling 1 Måling 2 Måling 3 Middelverdi p1 p2 Vannstrøm Måling 1 Måling 2 Måling 3 Middelverdi [m 3 /t] F1 Elektrisk effekt Måling 1 Måling 2 Måling 3 Middelverdi tilført, W P1 Varmeeffekt [W] Måling 1 Måling 2 Måling 3 Middelverdi b) Beregn CO 2 -varmepumpens varmeytelse. c) Beregn CO 2 -varmepumpens effektfaktor (COP). d) Hvordan påvirker settpunktet for varmtvannstemperaturen og inngående vanntemperatur i gasskjøleren CO 2 -varmepumpens effektfaktor? e) Skisser prosessen for CO 2 og vann i vedlagte trykk/entalpi-diagram (p-h) og temperatur/-entropi-diagram (-s). For vann anta et rettlinjet prosessforløp. Bruk temperaturskalaen for CO 2 også for vannet, og bruk i tillegg innløp og utløp av gasskjøleren bestemt for CO 2 -prosessen til å bestemme endepunktene til vannlinjen (ny kommentar høst 2010). f) Beregn CO 2 -varmepumpens eksergivirkningsgrad 1 når omgivelsestemperaturen er 0 C. (denne utgår, da dette ikke er pensum) g) Hvor mye elektrisk energi [kwh/år] sparer CO 2 -varmepumpen sammenlignet med direkte elektrisk oppvarming av varmtvannet, når en forutsetter at anlegget har en driftstid på timer per år. Hva tilsvarer dette i reduserte energikostnader [kr/år] når elektrisitetsprisen er 65 øre/kwh? h) Skriv rapport (veiledning for rapportskriving på hjemmesiden) 1 Eksergivirkningsgraden er forholdet mellom tilført eksergi til tappevannet [W] og eksergi tilført CO 2 -varmepumpen [W], dvs. η e =(E ut /E inn ). Data: Varmekapasiteten for vann: 4,18 [kj/kgk]

4 VEDLEGG: Figur 1 Beredning av varmt tappevann ved hjelp av en CO 2 -varmepumpe skissert i et såkalt -Q-diagram. Varmen avgis ved at CO 2 -gass ved superkritisk trykk avkjøles (følbar varme), og ikke ved kondensasjon (latent varme) som for vanlige arbeidsmedier. Figur 2 Prinsipiell skisse av CO 2 -varmepumpeanlegget med måleutrustning.

5

6

7 Properties of superheated CO2 vapor , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,005

8 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,053

9 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,413