Semesteroppgave Varmepumpe Sted: Kuldelaboratorium, Kolbjørn Hejes vei 1B (nærmest veien), 1. etg. 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. 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 : Varmtvannsvarmepumpe med karbondioksid (CO ) som arbeidsmedium Karbondioksid (CO ) 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 -prosessen egner seg spesielt godt der hvor en har en betydelig temperaturdifferanse på varmeavgivelsessiden, ettersom temperaturtilpasningen mellom CO 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 -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 ) består av en kommersielt tilgjengelig CO- 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 sugegass inn på kompressor - CO trykkgass ut av kompressor 3 - CO trykkgass inn på gasskjøler 4 - CO trykkgass ut av gasskjøler 5 - CO trykkgass inn på strupeventil 6 - CO væske/gass inn på fordamper 7 - CO sugegass ut av fordamper 8 - Vann inn på gasskjøler 9 - Vann ut fra gasskjøler p1 - Lavtrykk (sugetrykk) p - 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 Måling 3 Middelverdi [ºC] 1 3 4 5 6 7 8 9 rykk [bar]1 Måling 1 Måling Måling 3 Middelverdi p1 p Vannstrøm Måling 1 Måling Måling 3 Middelverdi [m 3 /t] F1 Elektrisk effekt Måling 1 Måling Måling 3 Middelverdi tilført, W P1 Varmeeffekt [W] Måling 1 Måling Måling 3 Middelverdi b) Beregn CO -varmepumpens varmeytelse. c) Beregn CO -varmepumpens effektfaktor (COP). d) Hvordan påvirker settpunktet for varmtvannstemperaturen og inngående vanntemperatur i gasskjøleren CO -varmepumpens effektfaktor? e) Skisser prosessen for CO og vann i vedlagte trykk/entalpi-diagram (p-h) og temperatur/-entropi-diagram (-s). f) Hvor mye elektrisk energi [kwh/år] sparer CO -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? g) Skriv rapport (veiledning for rapportskriving på hjemmesiden) Data: Varmekapasiteten for vann: 4,18 [kj/kgk]
VEDLEGG: Figur 1 Beredning av varmt tappevann ved hjelp av en CO -varmepumpe skissert i et såkalt -Q-diagram. Varmen avgis ved at CO -gass ved superkritisk trykk avkjøles (følbar varme), og ikke ved kondensasjon (latent varme) som for vanlige arbeidsmedier. Figur Prinsipiell skisse av CO -varmepumpeanlegget med måleutrustning.
Properties of superheated CO vapor 0 100 4,373 117 44,780 5 113 53,146 8 109 6,94 0 101 4,03 118 44,635 5 114 5,954 8 110 6,033 0 10 4,037 119 44,49 5 115 5,766 8 111 61,778 0 103 41,873 10 44,351 5 116 5,58 8 11 61,59 0 104 41,713 3 100 50,407 5 117 5,401 8 113 61,85 0 105 41,555 3 101 50,19 5 118 5,3 8 114 61,046 0 106 41,400 3 10 49,983 5 119 5,048 8 115 60,813 0 107 41,48 3 103 49,778 5 10 51,877 8 116 60,584 0 108 41,098 3 104 49,578 6 100 58,96 8 117 60,360 0 109 40,951 3 105 49,381 6 101 58,653 8 118 60,140 0 110 40,806 3 106 49,188 6 10 58,386 8 119 59,95 0 111 40,664 3 107 48,999 6 103 58,15 8 10 59,714 0 11 40,54 3 108 48,814 6 104 57,871 9 100 68,091 0 113 40,386 3 109 48,63 6 105 57,6 9 101 67,73 0 114 40,50 3 110 48,453 6 106 57,379 9 10 67,383 0 115 40,117 3 111 48,77 6 107 57,141 9 103 67,044 0 116 39,985 3 11 48,105 6 108 56,908 9 104 66,714 0 117 39,856 3 113 47,936 6 109 56,680 9 105 66,393 0 118 39,79 3 114 47,769 6 110 56,457 9 106 66,080 0 119 39,604 3 115 47,606 6 111 56,38 9 107 65,775 0 10 39,480 3 116 47,445 6 11 56,04 9 108 65,478 1 100 45,004 3 117 47,87 6 113 55,814 9 109 65,189 1 101 44,81 3 118 47,13 6 114 55,608 9 110 64,906 1 10 44,64 3 119 46,979 6 115 55,404 9 111 64,630 1 103 44,466 3 10 46,89 6 116 55,06 9 11 64,360 1 104 44,93 4 100 53,186 6 117 55,01 9 113 64,097 1 105 44,14 4 101 5,955 6 118 54,8 9 114 63,839 1 106 43,957 4 10 5,79 6 119 54,635 9 115 63,587 1 107 43,794 4 103 5,507 6 10 54,451 9 116 63,341 1 108 43,633 4 104 5,91 7 100 61,899 9 117 63,100 1 109 43,475 4 105 5,078 7 101 61,601 9 118 6,863 1 110 43,30 4 106 51,868 7 10 61,310 9 119 6,63 1 111 43,167 4 107 51,664 7 103 61,06 9 10 6,405 1 11 43,017 4 108 51,465 7 104 60,749 30 100 71,330 1 113 4,870 4 109 51,69 7 105 60,479 30 101 70,933 1 114 4,75 4 110 51,077 7 106 60,15 30 10 70,549 1 115 4,58 4 111 50,888 7 107 59,957 30 103 70,176 1 116 4,44 4 11 50,703 7 108 59,706 30 104 69,814 1 117 4,304 4 113 50,51 7 109 59,459 30 105 69,46 1 118 4,168 4 114 50,343 7 110 59,18 30 106 69,11 1 119 4,034 4 115 50,168 7 111 58,98 30 107 68,788 1 10 41,90 4 116 49,996 7 11 58,751 30 108 68,464 100 47,680 4 117 49,87 7 113 58,55 30 109 68,149 101 47,483 4 118 49,661 7 114 58,304 30 110 67,84 10 47,90 4 119 49,497 7 115 58,087 30 111 67,543 103 47,100 4 10 49,337 7 116 57,874 30 11 67,50 104 46,914 5 100 56,04 7 117 57,665 30 113 66,965 105 46,73 5 101 55,773 7 118 57,461 30 114 66,687 106 46,553 5 10 55,57 7 119 57,58 30 115 66,415 107 46,377 5 103 55,87 7 10 57,061 30 116 66,149 108 46,04 5 104 55,053 8 100 64,951 30 117 65,889 109 46,035 5 105 54,83 8 101 64,64 30 118 65,634 110 45,868 5 106 54,598 8 10 64,306 30 119 65,386 111 45,705 5 107 54,378 8 103 63,996 30 10 65,14 11 45,544 5 108 54,163 8 104 63,695 31 100 74,681 113 45,386 5 109 53,951 8 105 63,401 31 101 74,41 114 45,31 5 110 53,74 8 106 63,114 31 10 73,815 115 45,078 5 111 53,540 8 107 6,834 31 103 73,403 116 44,98 5 11 53,341 8 108 6,561 31 104 73,005
31 105 7,618 34 103 83,78 37 101 97,309 39 10 9,43 31 106 7,44 34 104 83,35 37 10 96,43 40 100 313,774 31 107 71,880 34 105 8,710 37 103 95,587 40 101 31,41 31 108 71,56 34 106 8,03 37 104 94,795 40 10 310,831 31 109 71,18 34 107 81,715 37 105 94,044 40 103 309,56 31 110 70,847 34 108 81,44 37 106 93,39 40 104 308,314 31 111 70,5 34 109 80,789 37 107 9,641 40 105 307,183 31 11 70,04 34 110 80,349 37 108 91,991 40 106 306,14 31 113 69,895 34 111 79,93 37 109 91,369 40 107 305,18 31 114 69,593 34 11 79,510 37 110 90,77 40 108 304,189 31 115 69,99 34 113 79,110 37 111 90,198 40 109 303,300 31 116 69,011 34 114 78,71 37 11 89,646 40 110 30,458 31 117 68,731 34 115 78,343 37 113 89,114 40 111 301,658 31 118 68,457 34 116 77,976 37 114 88,601 40 11 300,895 31 119 68,188 34 117 77,619 37 115 88,106 40 113 300,168 31 10 67,96 34 118 77,7 37 116 87,67 40 114 99,47 3 100 78,158 34 119 76,933 37 117 87,164 40 115 98,799 3 101 77,667 34 10 76,603 37 118 86,716 40 116 98,161 3 10 77,194 35 100 89,558 37 119 86,81 40 117 97,548 3 103 76,738 35 101 88,84 37 10 85,860 40 118 96,957 3 104 76,97 35 10 88,170 38 100 303,043 40 119 96,389 3 105 75,870 35 103 87,57 38 101 301,943 40 10 95,841 3 106 75,458 35 104 86,913 38 10 300,916 41 100 319,807 3 107 75,058 35 105 86,35 38 103 99,95 41 101 317,986 3 108 74,670 35 106 85,760 38 104 99,045 41 10 316,38 3 109 74,94 35 107 85,18 38 105 98,189 41 103 314,803 3 110 73,98 35 108 84,696 38 106 97,378 41 104 313,395 3 111 73,573 35 109 84,19 38 107 96,609 41 105 31,088 3 11 73,8 35 110 83,707 38 108 95,876 41 106 310,870 3 113 7,891 35 111 83,38 38 109 95,177 41 107 309,731 3 114 7,564 35 11 8,785 38 110 94,504 41 108 308,66 3 115 7,45 35 113 8,346 38 111 93,866 41 109 307,655 3 116 71,934 35 114 81,91 38 11 93,54 41 110 306,705 3 117 71,630 35 115 81,508 38 113 9,666 41 111 305,805 3 118 71,334 35 116 81,108 38 114 9,100 41 11 304,951 3 119 71,045 35 117 80,70 38 115 91,555 41 113 304,138 3 10 70,76 35 118 80,34 38 116 91,09 41 114 303,364 33 100 81,780 35 119 79,975 38 117 90,5 41 115 30,65 33 101 81,9 35 10 79,618 38 118 90,03 41 116 301,917 33 10 80,701 36 100 93,771 38 119 89,557 41 117 301,39 33 103 80,19 36 101 9,957 38 10 89,098 41 118 300,58 33 104 79,70 36 10 9,187 39 100 308,01 41 119 99,958 33 105 79,30 36 103 91,457 39 101 306,906 41 10 99,358 33 106 78,774 36 104 90,755 39 10 305,705 4 100 36,96 33 107 78,333 36 105 90,093 39 103 304,587 4 101 34,164 33 108 77,906 36 106 89,460 39 104 303,541 4 10 3,13 33 109 77,493 36 107 88,854 39 105 30,560 4 103 30,437 33 110 77,093 36 108 88,73 39 106 301,635 4 104 318,803 33 111 76,704 36 109 87,715 39 107 300,761 4 105 317,93 33 11 76,37 36 110 87,177 39 108 99,933 4 106 315,893 33 113 75,961 36 111 86,659 39 109 99,147 4 107 314,589 33 114 75,604 36 11 86,160 39 110 98,399 4 108 313,370 33 115 75,58 36 113 85,677 39 111 97,685 4 109 31,7 33 116 74,90 36 114 85,11 39 11 96,995 4 110 311,153 33 117 74,591 36 115 84,760 39 113 96,343 4 111 310,139 33 118 74,71 36 116 84,33 39 114 95,717 4 11 309,181 33 119 73,958 36 117 83,899 39 115 95,116 4 113 308,7 33 10 73,653 36 118 83,488 39 116 94,538 4 114 307,409 34 100 85,568 36 119 83,089 39 117 93,981 4 115 306,587 34 101 84,947 36 10 8,701 39 118 93,443 4 116 305,803 34 10 84,35 37 100 98,50 39 119 9,94 4 117 305,053
4 118 304,336 45 116 318,343 4 119 303,648 45 117 317,37 4 10 30,981 45 118 316,363 43 100 333,194 45 119 315,444 43 101 330,733 45 10 314,567 43 10 38,488 43 103 36,434 43 104 34,541 43 105 3,807 43 106 31,0 43 107 319,713 43 108 318,36 43 109 317,030 43 110 315,815 43 111 314,673 43 11 313,597 43 113 31,580 43 114 311,616 43 115 310,70 43 116 309,831 43 117 309,00 43 118 308,10 43 119 307,453 43 10 306,77 44 100 340,383 44 101 337,615 44 10 335,076 44 103 33,744 44 104 330,600 44 105 38,64 44 106 36,79 44 107 35,10 44 108 33,531 44 109 3,066 44 110 30,697 44 111 319,413 44 11 318,05 44 113 317,068 44 114 315,993 44 115 314,976 44 116 314,010 44 117 313,09 44 118 31,18 44 119 311,383 44 10 310,586 45 100 347,699 45 101 344,679 45 10 341,88 45 103 339,95 45 104 336,903 45 105 334,691 45 106 33,643 45 107 330,743 45 108 38,97 45 109 37,38 45 110 35,793 45 111 34,356 45 11 33,007 45 113 31,739 45 114 30,543 45 115 319,413