Kulde- og varmepumpetekniske prosesser Mandag 5. november 2012

Transkript

1 TEP 4115 Termodynamikk I Kulde- og varmepumpetekniske prosesser Mandag 5. november 2012 Trygve M. Eikevik Professor Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) trygve.m.eikevik@ntnu.no 1

2 Læringsmål for kapittel 10 (6. utg.) (unntak: absorpsjonsprosess, kap. 10.5) Erverve grunnleggende forståelse for kalddampkompresjonsprosess for kulde- og varmepumpeforløpet Utvikle kunnskap om og kunne analysere termodynamiske modeller for kalddampkompresjonsprosessen Utarbeide skjematiske tegning av anlegg og tegne prosessen i Ts-diagram Evaluere termodynamiske egenskaper ved de karakteristiske tilstander for prosessen Gjennomføre masse-, energi-, entropi- og eksergibalanser for grunnleggende prosess Bestemme kulde- og varmepumpeprosessens ytelser, effekt- og energifaktorer Forklare og ha forståelse for hvordan variasjon av ulike parametere påvirker kalddampkompresjonsprosessens ytelser Vise grunnleggende forståelse for gass (Brayton) prosessen og kunne gjennomføre termodynamisk analyse 2

3 Energy efficiency offers the biggest scope for cu5ng emissions End- use efficiency is the largest contributor to CO2 emissions abatement in 2030, accounang for more than half of total savings in the 450 Scenario, compared with the Reference Scenario. Ref: IEA WEO

4 Tema for forelesningene Kuldeprosess Varmepumpeprosess Hva er forskjellen? Teoretisk prosess Carnot Alternative prosesser Kompressorfordampningsanlegg Arbeidsmedium - damptrykk-kurve Enkeltprosesser Isentrop Isoterm Isobar Isentalp Isokor Virkemåte Diagrammer Ett-trinns kuldesystem Ett-trinns kuldesystem med intern varmeveksling To-trinns kuldesystem Brayton prosess (Gass prosess) 4

5 VARMEPUMPENDE PROSESS Q H = Q L + W T H W T L Q L Hva er minste arbeid for en slik prosess? 5

6 T omg Q H = Q L + W T H W T L Q L T omg T R 6

7 T R Q H = Q L + W T omg T H W T L Q L T omg 7

8 T R Q H = Q L + W T omg T H W T L Q L T omg T R 8

9 Carnot-prosessen Kuldeprosess kontra varmepumpeprosess Varmepumpeprosess Q H = Q L + W T H T R T omg T H Kuldeprosess Q H = Q L + W W T L T omg W T R T L Q L Q L 9

10 Alternative kuldeprosesser Åpne engangsprosesser Latent varme i is (smelter ved 0 o C) Kuldeblandinger (is + salt) Væsker som fordamper (LN 2, LCO 2 ) Ekspansjonsprosesser Ekspansjon av komprimert gass som er avkjølt før ekspansjon Fordampningsprosesser Kompressorfordampningsprosesser Absorpsjonsprosesser Elektriske prosesser Skifte mellom gode og mindre gode elektriske ledere Magnetiske prosesser Skifte mellom magnetisering og avmagnetisering 10

11 Eksport av is til Europa 1850 til

12 Varmetransport med et arbeidsmedium Temperatur [ C] 100 C Kokepunkt B fordampning / kondensasjon Duggpunkt C oppvarming av damp (overhetning) smelting av is 0 C oppvarming av is A 419 kj/kg oppvarming av vann 1 kw = 1 kj/sekund 1 kwh = 1 kj/s 3600 s = 3600 kj entalpi [kj/kg] Trykk = 1 bar (atm.) 12

13 Metningstrykk for propan 13

14 Metningstrykk for vann 14

15 Metningstrykk for vann 15

16 Propan Gassfase Væskefase 16

17 17

18 Arbeidsmedier kokepunkt Trykk - temperatur CO 2 R717 R410A R290 R134a R407C 18

19 Kuldeanleggets virkemåte varmestrøm, Q k inn ut 2 væskelås 3 f.eks. sjøvann kondensator (p k, t k ) elektrisitet, W kompressor f.eks. luft fordamper (p o, t o ) motor inn 4 ut 1 ekspansjonsventil varmestrøm, Q o 19

20

21 ,1 397,20 241,

22 Kuldemedium R134a Spes. Volum m3/kg Entalpi, kj/kg Entropi, kj/kgk Me;et Me;et Me;et Fordampnings- Me;et Me;et Me;et Temp Trykk Væske Damp Væske varme Damp Væske Damp oc bar 10 3 xm 3 /kg m 3 /kg kj/kg kj/kg kj/kg kj/kgk kj/kgk ,5164 0,7054 0, ,97 222,88 372,85 0,8031 1, ,6332 0,7112 0, ,70 220,67 375,37 0,8232 1, ,7704 0,7171 0, ,49 218,37 377,87 0,8432 1, ,9304 0,7233 0, ,34 216,01 380,35 0,8631 1, ,1160 0,7296 0, ,26 213,57 382,82 0,8829 1, ,3298 0,7361 0, ,23 211,05 385,28 0,9027 1, ,5748 0,7428 0, ,27 208,45 387,71 0,9223 1, ,8539 0,7497 0, ,36 205,76 390,12 0,9419 1, ,1703 0,7569 0, ,51 203,00 392,51 0,9614 1, ,5273 0,7643 0, ,72 200, ,87 0,9808 1, ,9281 0,7720 0, ,99 197,21 397,20 1,0001 1, ,3764 0,7800 0, ,32 194,18 399,50 1,0193 1, ,8755 0,7883 0, ,71 191,06 401,77 1,0385 1, ,4293 0,7970 0, ,16 187,84 404,00 1,0576 1, ,0415 0,8061 0, ,67 184,52 406,18 1,0766 1, ,7159 0,8156 0, ,24 181,09 408,33 1,0956 1, ,4564 0,8256 0, ,88 177,54 410,42 1,1145 1, ,2673 0,8361 0, ,59 173,88 412,46 1,1333 1, ,7004 0,8415 0, ,47 172,00 413,46 1,1427 1, ,1526 0,8471 0, , ,08 414,45 1,1521 1, ,1166 0,8588 0, ,23 166,14 416,37 1,1709 1, ,1638 0,8713 0, ,17 162,04 418,21 1,1897 1,

23 R134a Spes. Volum m3/kg Entalpi, kj/kg Entropi, kj/kgk Me;et Me;et Me;et Fordampnings- Me;et Me;et Me;et Trykk Temp Væske Damp Væske varme Damp Væske Damp bar oc 10 3 xm 3 /kg m 3 /kg kj/kg kj/kg kj/kg kj/kgk kj/kgk 0,6-37,07 0,7096 0, ,42 221,27 374,69 0,8178 1,7551 0,8-31,21 0,7183 0, ,44 217,91 378,36 0,8471 1,7478 1,0-26,43 0,7257 0, ,26 215,06 381,32 0,8709 1,7426 1,2-22,37 0,7322 0, ,28 212,55 383,83 0,8910 1,7385 1,4-18,80 0,7380 0, ,74 210,27 386,01 0,9086 1,7353 1,6-15,62 0,7434 0, ,75 208,19 387,94 0,9242 1,7326 1,8-12,74 0,7484 0, ,42 206,26 389,68 0,9383 1,7304 2,0-10,09 0,7531 0, ,81 204,46 391,27 0,9512 1,7284 2,4-5,37 0,7617 0, ,93 201,14 394,06 0,9741 1,7253 2,8-1,23 0,7696 0, ,36 198,13 396,49 0,9942 1,7228 3,2 2,48 0,7769 0, ,28 195,35 398,63 1,0120 1,7208 3,6 5,84 0,7838 0, ,80 192,75 400,55 1,0282 1,7191 4,0 8,93 0,7903 0, ,97 190,32 402,29 1,0429 1,7176 5,0 15,74 0,8055 0, ,31 184,74 406,04 1,0754 1,7148 6,0 21,58 0,8195 0, ,46 179,70 409,16 1,1030 1,7127 7,0 26,72 0,8327 0, ,75 175,06 411,82 1,1273 1,7111 8,0 31,33 0,8453 0, ,40 170,72 414,12 1,1490 1,7097 9,0 35,54 0,8575 0, ,54 166,60 416,15 1,1688 1, ,0 39,39 0,8693 0, ,26 162,68 417,93 1,1869 1, ,0 46,32 0,8927 0, ,74 155,21 420,96 1,2195 1, ,0 52,43 0,9157 0, ,23 148,13 423,37 1,2484 1, ,0 57,92 0,9390 0, ,99 141,30 425,29 1,2745 1, ,0 62,91 0,9628 0, ,19 134,59 426,79 1,2985 1, ,0 67,49 0,9875 0, ,96 127,94 427,90 1,3209 1, ,0 77,59 1,0558 0, ,09 111,04 429,13 1,3718 1, ,0 86,22 1,1410 0, ,27 92,68 427,95 1,4187 1,

24 Kuldemedium Trykk Metningstemperatur R134a 7,7004 bar 30,0 o C Gass Spesifikk Entalpi Entropi temp volum o C m 3 /kg kj/kg kj/kgk 31,0 0, ,6 1, ,0 0, ,7 1, ,0 0, ,8 1, ,0 0, ,8 1, ,0 0, ,0 1, ,0 0, ,3 1, ,0 0, ,7 1, ,0 0, ,0 1, ,0 0, ,2 1, ,0 0, ,5 1, ,0 0, ,7 1, ,0 0, ,9 1, ,0 0, ,2 1, ,0 0, ,4 1, ,

25 Kjøleskap og hermetisk kompressor 25

26 Kompressorer 26

27 Varmevekslere (fordamper/kondensator) Varmeoverføring mellom kuldemedium og luft 27

28 100% Behov for energi til oppvarming t rom = 22 o C t ute = -10 o C VARMETAP FRA HUSET TAP SOM MÅ ERSTATTES AV ELEKTRISITET 25% VARME- PUMPE Elektrisitet 25% RESIRKULERING AV ENERGI 75% Uteluft Grunnvarme Grunnvann Sjøvann Spillvarme etc. 28

29 Luft til luft varmepumpe 29

30 Reverserbar luft-luft varmepumpe Oppvarmingsmodus (VP) 30

31 Reverserbar luft-luft varmepumpe Kjølemodus (AC) 31

32 Industrikuldeanlegg 32

33 Kuldeanlegg og kraft-/varmeproduksjon Hammerfest LNG 33

34 Kaldgassprosess for LNG-produksjon 34

35 Energi- og prosessteknikk Instituttets hjemmeside Varmepumpende systemer fag ved instituttet TEP4260 vårfag Varmepumper for bygningsklimatisering TEP4255 vårfag Varmepumpende prosesser og systemer TEP16 høstfag (fordypning) Varmepumpeteknikk TEP10 høstfag (fordypning) Varmepumpende prosesser i næringsmiddelindustrien TEP09 høstfag (fordypning) Kuldetekniske systemer og komponenter 35