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 http://folk.ntnu.no/tme 1
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
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 2009 3
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
VARMEPUMPENDE PROSESS Q H = Q L + W T H W T L Q L Hva er minste arbeid for en slik prosess? 5
T omg Q H = Q L + W T H W T L Q L T omg T R 6
T R Q H = Q L + W T omg T H W T L Q L T omg 7
T R Q H = Q L + W T omg T H W T L Q L T omg T R 8
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
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
Eksport av is til Europa 1850 til 1940 11
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
Metningstrykk for propan 13
Metningstrykk for vann 14
Metningstrykk for vann 15
Propan Gassfase Væskefase 16
17
Arbeidsmedier kokepunkt Trykk - temperatur CO 2 R717 R410A R290 R134a R407C 18
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
3 2 2 4 1 20
2 3 1 4 416,1 397,20 241,47 21 2
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 - 40 0,5164 0,7054 0,3569 149,97 222,88 372,85 0,8031 1,7591-36 0,6332 0,7112 0,2948 154,70 220,67 375,37 0,8232 1,7537-32 0,7704 0,7171 0,2451 159,49 218,37 377,87 0,8432 1,7487-28 0,9304 0,7233 0,2052 164,34 216,01 380,35 0,8631 1,7442-24 1,1160 0,7296 0,1728 169,26 213,57 382,82 0,8829 1,7401-20 1,3298 0,7361 0,1464 174,23 211,05 385,28 0,9027 1,7363-16 1,5748 0,7428 0,1247 179,27 208,45 387,71 0,9223 1,7329-12 1,8539 0,7497 0,1068 184,36 205,76 390,12 0,9419 1,7298-8 2,1703 0,7569 0,0919 189,51 203,00 392,51 0,9614 1,7270-4 2,5273 0,7643 0,0794 194,72 200,15 1 394,87 0,9808 1,7244 0 2,9281 0,7720 0,0689 199,99 197,21 397,20 1,0001 1,7221 4 3,3764 0,7800 0,0600 205,32 194,18 399,50 1,0193 1,7200 8 3,8755 0,7883 0,0525 210,71 191,06 401,77 1,0385 1,7181 12 4,4293 0,7970 0,0460 216,16 187,84 404,00 1,0576 1,7163 16 5,0415 0,8061 0,0405 221,67 184,52 406,18 1,0766 1,7147 20 5,7159 0,8156 0,0358 227,24 181,09 408,33 1,0956 1,7133 24 6,4564 0,8256 0,0317 232,88 177,54 410,42 1,1145 1,7119 28 7,2673 0,8361 0,0281 238,59 173,88 412,46 1,1333 1,7107 3 30 7,7004 0,8415 0,0265 241,47 172,00 413,46 1,1427 1,7101 32 8,1526 0,8471 0,0250 244,37 4 170,08 414,45 1,1521 1,7095 36 9,1166 0,8588 0,0223 250,23 166,14 416,37 1,1709 1,7083 40 10,1638 0,8713 0,0199 256,17 162,04 418,21 1,1897 1,7072 22
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 0,3101 153,42 221,27 374,69 0,8178 1,7551 0,8-31,21 0,7183 0,2365 160,44 217,91 378,36 0,8471 1,7478 1,0-26,43 0,7257 0,1917 166,26 215,06 381,32 0,8709 1,7426 1,2-22,37 0,7322 0,1614 171,28 212,55 383,83 0,8910 1,7385 1,4-18,80 0,7380 0,1395 175,74 210,27 386,01 0,9086 1,7353 1,6-15,62 0,7434 0,1229 179,75 208,19 387,94 0,9242 1,7326 1,8-12,74 0,7484 0,1098 183,42 206,26 389,68 0,9383 1,7304 2,0-10,09 0,7531 0,0993 186,81 204,46 391,27 0,9512 1,7284 2,4-5,37 0,7617 0,0834 192,93 201,14 394,06 0,9741 1,7253 2,8-1,23 0,7696 0,0719 198,36 198,13 396,49 0,9942 1,7228 3,2 2,48 0,7769 0,0632 203,28 195,35 398,63 1,0120 1,7208 3,6 5,84 0,7838 0,0564 207,80 192,75 400,55 1,0282 1,7191 4,0 8,93 0,7903 0,0509 211,97 190,32 402,29 1,0429 1,7176 5,0 15,74 0,8055 0,0409 221,31 184,74 406,04 1,0754 1,7148 6,0 21,58 0,8195 0,0341 229,46 179,70 409,16 1,1030 1,7127 7,0 26,72 0,8327 0,0292 236,75 175,06 411,82 1,1273 1,7111 8,0 31,33 0,8453 0,0255 243,40 170,72 414,12 1,1490 1,7097 9,0 35,54 0,8575 0,0225 249,54 166,60 416,15 1,1688 1,7085 10,0 39,39 0,8693 0,0202 255,26 162,68 417,93 1,1869 1,7074 12,0 46,32 0,8927 0,0166 265,74 155,21 420,96 1,2195 1,7053 14,0 52,43 0,9157 0,0140 275,23 148,13 423,37 1,2484 1,7034 16,0 57,92 0,9390 0,0121 283,99 141,30 425,29 1,2745 1,7013 18,0 62,91 0,9628 0,0105 292,19 134,59 426,79 1,2985 1,6990 20,0 67,49 0,9875 0,0093 299,96 127,94 427,90 1,3209 1,6965 25,0 77,59 1,0558 0,0069 318,09 111,04 429,13 1,3718 1,6884 30,0 86,22 1,1410 0,0053 335,27 92,68 427,95 1,4187 1,6766 23
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 0,02666 414,6 1,7137 32,0 0,02683 415,7 1,7173 33,0 0,02701 416,8 1,7209 34,0 0,02718 417,8 1,7244 36,0 0,02752 420,0 1,7315 40,0 0,02818 424,3 1,7453 45,0 0,02899 429,7 1,7622 50,0 0,02976 435,0 1,7788 55,0 0,03052 440,2 1,7949 60,0 0,03126 445,5 1,8108 65,0 0,03198 450,7 1,8264 70,0 0,03268 455,9 1,8418 75,0 0,03337 461,2 1,8569 80,0 0,03405 466,4 1,8718 2 1,7221 24
Kjøleskap og hermetisk kompressor 25
Kompressorer 26
Varmevekslere (fordamper/kondensator) Varmeoverføring mellom kuldemedium og luft 27
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
Luft til luft varmepumpe 29
Reverserbar luft-luft varmepumpe Oppvarmingsmodus (VP) 30
Reverserbar luft-luft varmepumpe Kjølemodus (AC) 31
Industrikuldeanlegg 32
Kuldeanlegg og kraft-/varmeproduksjon Hammerfest LNG 33
Kaldgassprosess for LNG-produksjon 34
Energi- og prosessteknikk Instituttets hjemmeside http://www.ntnu.no/ept Varmepumpende systemer fag ved instituttet TEP4260 vårfag Varmepumper for bygningsklimatisering http://www.ivt.ntnu.no/ept/fag/tep4260/ TEP4255 vårfag Varmepumpende prosesser og systemer http://www.ivt.ntnu.no/ept/fag/tep4255/ TEP16 høstfag (fordypning) Varmepumpeteknikk http://www.ivt.ntnu.no/ept/fag/fordypn/tep16.htm TEP10 høstfag (fordypning) Varmepumpende prosesser i næringsmiddelindustrien http://www.ivt.ntnu.no/ept/fag/fordypn/tep10.htm TEP09 høstfag (fordypning) Kuldetekniske systemer og komponenter http://www.ivt.ntnu.no/ept/fag/fordypn/tep09.htm 35