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.
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 60-90 C, med andre ord en temperaturglidning i størrelsesorden 45-85 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
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] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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 5.000 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]
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.
Properties of superheated CO2 vapor 20 100 242,373 22 117 244,780 25 113 253,146 28 109 262,294 20 101 242,203 22 118 244,635 25 114 252,954 28 110 262,033 20 102 242,037 22 119 244,492 25 115 252,766 28 111 261,778 20 103 241,873 22 120 244,351 25 116 252,582 28 112 261,529 20 104 241,713 23 100 250,407 25 117 252,401 28 113 261,285 20 105 241,555 23 101 250,192 25 118 252,223 28 114 261,046 20 106 241,400 23 102 249,983 25 119 252,048 28 115 260,813 20 107 241,248 23 103 249,778 25 120 251,877 28 116 260,584 20 108 241,098 23 104 249,578 26 100 258,926 28 117 260,360 20 109 240,951 23 105 249,381 26 101 258,653 28 118 260,140 20 110 240,806 23 106 249,188 26 102 258,386 28 119 259,925 20 111 240,664 23 107 248,999 26 103 258,125 28 120 259,714 20 112 240,524 23 108 248,814 26 104 257,871 29 100 268,091 20 113 240,386 23 109 248,632 26 105 257,622 29 101 267,732 20 114 240,250 23 110 248,453 26 106 257,379 29 102 267,383 20 115 240,117 23 111 248,277 26 107 257,141 29 103 267,044 20 116 239,985 23 112 248,105 26 108 256,908 29 104 266,714 20 117 239,856 23 113 247,936 26 109 256,680 29 105 266,393 20 118 239,729 23 114 247,769 26 110 256,457 29 106 266,080 20 119 239,604 23 115 247,606 26 111 256,238 29 107 265,775 20 120 239,480 23 116 247,445 26 112 256,024 29 108 265,478 21 100 245,004 23 117 247,287 26 113 255,814 29 109 265,189 21 101 244,821 23 118 247,132 26 114 255,608 29 110 264,906 21 102 244,642 23 119 246,979 26 115 255,404 29 111 264,630 21 103 244,466 23 120 246,829 26 116 255,206 29 112 264,360 21 104 244,293 24 100 253,186 26 117 255,012 29 113 264,097 21 105 244,124 24 101 252,955 26 118 254,822 29 114 263,839 21 106 243,957 24 102 252,729 26 119 254,635 29 115 263,587 21 107 243,794 24 103 252,507 26 120 254,451 29 116 263,341 21 108 243,633 24 104 252,291 27 100 261,899 29 117 263,100 21 109 243,475 24 105 252,078 27 101 261,601 29 118 262,863 21 110 243,320 24 106 251,868 27 102 261,310 29 119 262,632 21 111 243,167 24 107 251,664 27 103 261,026 29 120 262,405 21 112 243,017 24 108 251,465 27 104 260,749 30 100 271,330 21 113 242,870 24 109 251,269 27 105 260,479 30 101 270,933 21 114 242,725 24 110 251,077 27 106 260,215 30 102 270,549 21 115 242,582 24 111 250,888 27 107 259,957 30 103 270,176 21 116 242,442 24 112 250,703 27 108 259,706 30 104 269,814 21 117 242,304 24 113 250,521 27 109 259,459 30 105 269,462 21 118 242,168 24 114 250,343 27 110 259,218 30 106 269,121 21 119 242,034 24 115 250,168 27 111 258,982 30 107 268,788 21 120 241,902 24 116 249,996 27 112 258,751 30 108 268,464 22 100 247,680 24 117 249,827 27 113 258,525 30 109 268,149 22 101 247,483 24 118 249,661 27 114 258,304 30 110 267,842 22 102 247,290 24 119 249,497 27 115 258,087 30 111 267,543 22 103 247,100 24 120 249,337 27 116 257,874 30 112 267,250 22 104 246,914 25 100 256,024 27 117 257,665 30 113 266,965 22 105 246,732 25 101 255,773 27 118 257,461 30 114 266,687 22 106 246,553 25 102 255,527 27 119 257,258 30 115 266,415 22 107 246,377 25 103 255,287 27 120 257,061 30 116 266,149 22 108 246,204 25 104 255,053 28 100 264,951 30 117 265,889 22 109 246,035 25 105 254,823 28 101 264,624 30 118 265,634 22 110 245,868 25 106 254,598 28 102 264,306 30 119 265,386 22 111 245,705 25 107 254,378 28 103 263,996 30 120 265,142 22 112 245,544 25 108 254,163 28 104 263,695 31 100 274,681 22 113 245,386 25 109 253,951 28 105 263,401 31 101 274,241 22 114 245,231 25 110 253,742 28 106 263,114 31 102 273,815 22 115 245,078 25 111 253,540 28 107 262,834 31 103 273,403 22 116 244,928 25 112 253,341 28 108 262,561 31 104 273,005
31 105 272,618 34 103 283,782 37 101 297,309 39 120 292,423 31 106 272,244 34 104 283,235 37 102 296,423 40 100 313,774 31 107 271,880 34 105 282,710 37 103 295,587 40 101 312,241 31 108 271,526 34 106 282,203 37 104 294,795 40 102 310,831 31 109 271,182 34 107 281,715 37 105 294,044 40 103 309,526 31 110 270,847 34 108 281,244 37 106 293,329 40 104 308,314 31 111 270,522 34 109 280,789 37 107 292,641 40 105 307,183 31 112 270,204 34 110 280,349 37 108 291,991 40 106 306,124 31 113 269,895 34 111 279,923 37 109 291,369 40 107 305,128 31 114 269,593 34 112 279,510 37 110 290,772 40 108 304,189 31 115 269,299 34 113 279,110 37 111 290,198 40 109 303,300 31 116 269,011 34 114 278,721 37 112 289,646 40 110 302,458 31 117 268,731 34 115 278,343 37 113 289,114 40 111 301,658 31 118 268,457 34 116 277,976 37 114 288,601 40 112 300,895 31 119 268,188 34 117 277,619 37 115 288,106 40 113 300,168 31 120 267,926 34 118 277,272 37 116 287,627 40 114 299,472 32 100 278,158 34 119 276,933 37 117 287,164 40 115 298,799 32 101 277,667 34 120 276,603 37 118 286,716 40 116 298,161 32 102 277,194 35 100 289,558 37 119 286,281 40 117 297,548 32 103 276,738 35 101 288,842 37 120 285,860 40 118 296,957 32 104 276,297 35 102 288,170 38 100 303,043 40 119 296,389 32 105 275,870 35 103 287,527 38 101 301,943 40 120 295,841 32 106 275,458 35 104 286,913 38 102 300,916 41 100 319,807 32 107 275,058 35 105 286,325 38 103 299,952 41 101 317,986 32 108 274,670 35 106 285,760 38 104 299,045 41 102 316,328 32 109 274,294 35 107 285,218 38 105 298,189 41 103 314,803 32 110 273,928 35 108 284,696 38 106 297,378 41 104 313,395 32 111 273,573 35 109 284,192 38 107 296,609 41 105 312,088 32 112 273,228 35 110 283,707 38 108 295,876 41 106 310,870 32 113 272,891 35 111 283,238 38 109 295,177 41 107 309,731 32 114 272,564 35 112 282,785 38 110 294,504 41 108 308,662 32 115 272,245 35 113 282,346 38 111 293,866 41 109 307,655 32 116 271,934 35 114 281,921 38 112 293,254 41 110 306,705 32 117 271,630 35 115 281,508 38 113 292,666 41 111 305,805 32 118 271,334 35 116 281,108 38 114 292,100 41 112 304,951 32 119 271,045 35 117 280,720 38 115 291,555 41 113 304,138 32 120 270,762 35 118 280,342 38 116 291,029 41 114 303,364 33 100 281,780 35 119 279,975 38 117 290,522 41 115 302,625 33 101 281,229 35 120 279,618 38 118 290,032 41 116 301,917 33 102 280,701 36 100 293,771 38 119 289,557 41 117 301,239 33 103 280,192 36 101 292,957 38 120 289,098 41 118 300,582 33 104 279,702 36 102 292,187 39 100 308,201 41 119 299,958 33 105 279,230 36 103 291,457 39 101 306,906 41 120 299,358 33 106 278,774 36 104 290,755 39 102 305,705 42 100 326,296 33 107 278,333 36 105 290,093 39 103 304,587 42 101 324,164 33 108 277,906 36 106 289,460 39 104 303,541 42 102 322,213 33 109 277,493 36 107 288,854 39 105 302,560 42 103 320,437 33 110 277,093 36 108 288,273 39 106 301,635 42 104 318,803 33 111 276,704 36 109 287,715 39 107 300,761 42 105 317,293 33 112 276,327 36 110 287,177 39 108 299,933 42 106 315,893 33 113 275,961 36 111 286,659 39 109 299,147 42 107 314,589 33 114 275,604 36 112 286,160 39 110 298,399 42 108 313,370 33 115 275,258 36 113 285,677 39 111 297,685 42 109 312,227 33 116 274,920 36 114 285,211 39 112 296,995 42 110 311,153 33 117 274,591 36 115 284,760 39 113 296,343 42 111 310,139 33 118 274,271 36 116 284,323 39 114 295,717 42 112 309,181 33 119 273,958 36 117 283,899 39 115 295,116 42 113 308,272 33 120 273,653 36 118 283,488 39 116 294,538 42 114 307,409 34 100 285,568 36 119 283,089 39 117 293,981 42 115 306,587 34 101 284,947 36 120 282,701 39 118 293,443 42 116 305,803 34 102 284,352 37 100 298,250 39 119 292,924 42 117 305,053
42 118 304,336 45 116 318,343 42 119 303,648 45 117 317,327 42 120 302,981 45 118 316,363 43 100 333,194 45 119 315,444 43 101 330,733 45 120 314,567 43 102 328,488 43 103 326,434 43 104 324,541 43 105 322,807 43 106 321,202 43 107 319,713 43 108 318,326 43 109 317,030 43 110 315,815 43 111 314,673 43 112 313,597 43 113 312,580 43 114 311,616 43 115 310,702 43 116 309,831 43 117 309,002 43 118 308,210 43 119 307,453 43 120 306,727 44 100 340,383 44 101 337,615 44 102 335,076 44 103 332,744 44 104 330,600 44 105 328,624 44 106 326,792 44 107 325,102 44 108 323,531 44 109 322,066 44 110 320,697 44 111 319,413 44 112 318,205 44 113 317,068 44 114 315,993 44 115 314,976 44 116 314,010 44 117 313,092 44 118 312,218 44 119 311,383 44 120 310,586 45 100 347,699 45 101 344,679 45 102 341,882 45 103 339,295 45 104 336,903 45 105 334,691 45 106 332,643 45 107 330,743 45 108 328,972 45 109 327,328 45 110 325,793 45 111 324,356 45 112 323,007 45 113 321,739 45 114 320,543 45 115 319,413