UMEÅ UNIVERSITET 2001-03-27 Fysiska institutionen Leif Hassmyr

KYLMASKIN/VÄRMEPUMP

1

UPPGIFT l. Förstå principen för kylmaskinen/värmepumpen och känna till dess huvuddelar. 2. Bestämma kondensor-, förångar- och kompressoreffekterna. 3. Bestämma köldmediets köld- och värmefaktor, verkliga köld- och värmefaktorn samt Carnotska köld- och värmefaktorn.

LITTERATUR

Kurslitteratur

KÖLDALSTRINGENS PRINCIP

För att klargöra principen för köldalstring skall erinras om ett välbekant fenomen. Om man tar några droppar av en lättkokande vätska (t ex eter eller sprit) i handen känns det kallt. Känslan finns kvar så länge det finns någonting av den lättkokande vätskan kvar. Förklaringen är, att vid all avdunstning åtgår värme. Detta ångbildningsvärme måste tillföras vätskan från omgivningen. I detta fall blir det handen som berövas värme. Ovan beskrivna fenomen äger rum i en kylmaskin eller värmepump. Som arbetsmedium (köldmedium) vid många kylprocesser använder man ångor med sådana egenskaper att de kondenserar vid den högre temperaturen och högre trycket, och förångas vid den lägre temperaturen och lägre trycket. Värmeupptagningen (köldalstringen) sker således genom att köldmediet vid låg temperatur tar upp sitt ångbildningsvärme från omgivningen. Temperaturen härvid, förångningstemperaturen, förblir konstant och detta är förhållandet även vid värmeavgivningen från processen vid den högre temperaturen, kondenseringstemperaturen.

2VÄRMEPUMPEN

Värmepumpen är ingen nyuppfunnen företeelse utan har i praktiken funnits i över 100 år. Värmepumpar tillverkas i olika storlekar och varierande utförande bland vilka kan nämnas: 1. Värmepumpar för enbart varmvattenberedning. 2. Värmepumpar för enbart luftuppvärmning. 3. Värmepumpar för uppvärmning av radiatorvatten. 4. Värmepumpar för uppvärmning av tappvarm- och radiatorvatten. Med hjälp av värmepumpen kan man alltså överföra värme från en lägre temperatur (utomhus) till en högre (inomhus). Den energi som åtgår för att driva värmepumpen kommer också att resultera i en viss värmeutveckling, som kan tas till vara för uppvärmningsändamål. Olika värmekällor kan användas som reservoar för värmepumpen. Exempelvis:

Solenergi Solenergin tillvaratas i solkollektorer och ackumuleras i vatten, som cirkuleras till värmeväxlare i värmepumpen, och avger upptaget värme.

Fig.1

Spillvärme I de fall spillvärme i tillräcklig mängd föreligger kan denna tillvaratas och temperaturnivån via värmepumpen höjas i erforderlig omfattning.

Fig.2

3

Avloppsvatten Avloppsvattnet innehåller stora mängder lågtempererad energi. Sedan avloppsvattnet renats kan detta berövas en del av värmeinnehållet och via värmepump uttas med högre användbar temperaturnivå. Värmepumpar för detta ändamål blir mycket stora och distributionsnät till reningsverkets omgivande bebyggelse kräver stora investeringar.

Vatten Sjövatten och grundvatten kan också utnyttjas som värmekälla genom att man pumpar detsamma genom värmepumpens värmeväxlare där vattentemperaturen vid passagen sänks och den av värmepumpen upptagna värmemängden överförs till exempelvis radiatorvattnet. En intressant synpunkt när det gäller sjövatten är isackumulering då stelningsvärmet representerar 334 kJ/ kg, dvs lika mycket energi som frigörs då ett kg vatten kallnar från 80 °C till 0 °C.

Fig.3

Fig.4

4Mark Genom att lägga ned slangar i marken och cirkulera t ex lågtempererat glykolvatten genom dessa tar vätskan upp värme från marken och denna värme kan i nästa steg överföras till värmepumpsystemet.

Fig.5

Luft Värmeinnehållet i uteluften kan också överföras till värmepumpsystemet. Detta sker på så sätt att luften blåses genom ett kylbatteri vars temperatur ligger ca 10 °C under lufttemperaturen. Vid passagen genom batteriet lämnar luften värme via kylbatteriet till värmepumpsystemet

Fig.6 Exempel på kommersiellt luftvärmepumpsystem för uppvärmning av tappvarm- och radiatorvatten.

Fig.7

51. Den varma ventilationsluften tas in i värmepumpen. 2. Ventilationsluften förs med hjälp av en fläkt vidare till förångaren, där luften kyls ned till ca 0 °C. 3. Den kalla luften försvinner ut ur huset genom frånluftskanalen i värmepumpen. 4. Den värmeenergi som förångaren har hämtat från ventilationsluften transporteras vidare av kompressorn till en kondensor, som överför värmeenergin till varmvattnet. 5. Värmeenergin i varmvattnet transporteras vidare med hjälp av en cirkulationspump till elpannan där energin avges i form av värme och varmt vatten.

KOMPRESSORKYL/VÄRMEPUMPSANLÄGGNING En enkel kompressorky1/värmepumpsanläggning är uppbyggd av en förångare, en kompressor, en kondensor och en expansionsventil, samt köldmedium, rörledningar och drivmotor för kompressorn. I Fig.8 är systemet schematiskt uppritat. I Fig.9 framgår hur den i detta försök använda uppställningen är uppbyggd.

Fig.8 Princip för kylmaskin/värmepump

6 BESKRIVNING AV KYL/VÄRMEPUMPANLÄGGNING.

Fig.9 A. Kompressor B. Kondensor C. Expansionsventil D. Förångare E. Köldmediebehållare F. Rotameter G. Torkare H. Synglas I. Cirkulationspump J. Elvärmare P1-P6. Tryckmätare anslutna i punkterna 1-6 i systemet. Tl-T6. Pt-100 givare för mätning av temperaturerna i punkterna 1-6 i systemet. T7-Tl0. Pt-100 givare för mätning av in- och uttemperaturerna i kondensorns

och förångarens vattensystem.

7På kyl/värmepumpanläggningen finns en panel med 3 st tryckgivare för sug- resp. trycksidan samt en rotameter för bestämning av köldmedieflödet. I systemet finns dessutom 10 st Pt-100 givare anslutna till en låda med omkopplare med vars hjälp man successivt kan göra en fyrpolsmätning av resistansen hos Pt-100 givarna med multimeter HP3478A.

Fig.10

Temperaturen kan därefter bestämmas ur sambandet: T=[(R-100)/0.385] °C. På bottenplattan finns en eldriven helhermetisk kompressor och en vattenkyld koaxialkondensor. Kondensorns vattenslinga är försedd med en tryckstyrd vattenventil med vilken man kan ställa kondensorns arbetstemperatur. I tryckledningen efter kondensorn finns en köldmediebehållare för överskott av köldmedium, torkare och synglas. På bottenplattan finns dessutom, i en grön isolerad tank, en koaxialförångare som kyler vatten som pumpas från den gröna isolerade tanken på den övre plattan m h a en dränkbar cirkulationspump. Den övre tanken är försedd med elvärmare (0-3kW) för önskad värmebelastning på kylkretsen. Anläggningen är dessutom försedd med en dubbelpressostat för kontinuerlig drift av anläggningen med önskade drifttryck/temperaturer.

Fig.11

8 ALLMÄNT Anläggningens huvuddelar är en eldriven helhermetisk kompressor, vattenkyld koaxialkondensor, expansionsventil, koaxialförångare och en separat vattentank med värmare. I tryckledningen från kondensorn finns köldmediebehållare, torkare, synglas och rotameter för mätning av köldmedieflöde. KOMPRESSOR Helhermetisk kompressor modell CAJ4492A för forane R134a. Kompressorn är ansluten till en dubbelpressostat. Dess högtryckssida bör stoppa kompressorn vid ett max tryck av högst 15 bar ö. (Inställning: 14 bar ö). Dess lågtrycksida bör stoppa kompressorn vid ett lägsta tryck av 0 bar ö för att undvika ev insugning av luft i anläggningen. Tillslag kan t ex ske på frånslagstryck plus 1 bar. (Inställning: Frånslag = 2 bar ö (för att förhindra att temperaturen i förångarens vattensystem blir lägre än 0°C) och differenstillslag = frånslag + 1 bar).

Fig.12 Fig.13 KONDENSOR COAX-2050H vattenkyld koaxialkondensor. Kondensorns kylning regleras av en vattenventil på vattenledningen. Genom inställning av denna kan man justera temperaturen hos kondensorns vattensystem och demonstrera anläggningens användning som värmepump. Inställningen för forane R134a motsvarar en vattentemperatur av ca 40 °C.

9EXPANSIONSVENTIL

Till den termostatiska expansionsventilens karakteristik hör att den upprätthåller en konstant överhettning i förångaren även när förångningstrycket varierar. Vanligtvis ∼5 °C överhettning.

Fig.14 Den termostatiska expansionsventilen fungerar på följande sätt: Givaren 2 sitter fastklamrad efter förångaren 1 och känner därmed temperaturen på den utgående sugledningen 3. Givaren som är fylld med något lättkokande medium, står via kapillärröret 4 i förbindelse med expansionsventilen och ett tryck P1, vars storlek bestäms av givartemperaturen verkar således på ovansidan av membranet 5. På membranets undersida verkar förångningstrycket P2 (förångarens början) samt fjädertrycket P3 Vid balans gäller: P1 = P2 + P3

Fig.15

10FÖRÅNGARE WKV1 vattenkyld koaxialförångare. Köldmedievolym 0,5 dm3 och vattenvolym 1,4 dm3.

A=285 mm B=310 mm H=220mm

Fig.16 VATTENTANK Den värme som upptas från vattnet i koaxialförångaren vid förångningen av köldmediet ersätts genom att vatten från en isolerad vattentank, som är försedd med en värmare på 3*1 kW, cirkuleras genom koaxialförångaren med hjälp av en dränkbar cirkulationspump. Tillförd elvärme mäts med tångamperemeter/voltmeter. Tankens vattenvolym = 30 liter. TORKARE Efter kondensorn sitter en torkare innehållande ”silica gel” och ”molecular sieve”. Dess uppgift är att absorbera det i köldmediet befintliga vattnet samt uppta föroreningspartiklar. SYNGLAS Efter torkfiltret sitter ett synglas genom vilket man kan observera köldmediet när anläggningen är i drift och under normala driftförhållanden skall detta utgöras av en jämnt strömmande vätska utan inslag av gasbubblor. Om gasbubblor syns kan detta bero på t ex köldmediebrist, strypning i vätskeledningen eller onormalt stort tryckfall.

11ROTAMETER För mätning av köldmedieflödet finns en rotameter Brooks instrument modell 8-1307BR inmonterad.

Avläsningen av flödesvärdet sker mot flottörens övre kant. 100% skalutslag motsvarar ett köldmedieflöde = 128 kg/h.

Fig.17 DRIFTSINSTRUKTIONER Normalt skall en kyl- och värmepumpsanläggning fungera utan driftstekniska bekymmer. I det följande ges exempel på en del förekommande störningar. Fukt i anläggningen kan bero på att luft vid något tillfälle läckt in. Fukt kan medföra att expansionsventilen fryser under drift och hindrar köldmediet (forane R134a) från att cirkulera normalt. Vanligtvis avlägsnas fukten genom att byta torkare. Det vanligaste bekymret med kylanläggningar är att läckage uppstår. Detta kan upptäckas m h a läcksökningsutrustning. Exempel på sådan utrustning är Jon-pump detektor CPS modell L-780. Den detekterar en köldmedieläcka genom att suga in gas från läckageområdet mellan två högspänningselektroder varvid köldmediegasen joniseras och elektriska laddningsbärare skapas varvid en ström som detekteras av instrumentet uppstår. Vid hantering med köldmedier av alla typer skall försiktighet iakttas då dessa uppträder i vätskeform. Om köldmedievätska skulle läcka ut antar den vid sin förångning omedelbart en temperatur som motsvarar atmosfärstrycket. I köldmediediagrammet för forane R134a avläses en temperatur på -25°C. Om köldmediedroppar skulle träffa ögonen uppstår alltså omedelbart förfrysning. Om det finns risk för att köldmedium skall spruta ut skall skyddsglasögon användas.

12KONTROLLFRÅGOR TILL LABORATIONEN KYLMASKIN/VÄRMEPUMP Skall visas upp före laborationens början. a b c 1. Låga temperaturer alstras i ett kylbatteri (förångare) genom att: a) ett lätt kokande ämne får avdunsta b) varm vätska avkyls i expansionsventilen c) värme bortförs från kondensorn 2. Kompressorns uppgift är att:

a) skilja lågtryckssidan från högtryckssidan b) cirkulera köldmediet c) överhetta ångan före kondensorn 3. Kondensorns uppgift är att:

a) uppta värme från kondensorns vattensystem b) avge värme till kondensorns vattensystem c) hålla trycket efter kompressorn 4. Expansionsventilens uppgift är att hålla köldmediet något:

a) överhettat före kompressorn b) underkylt före kompressorn c) överhettat efter expansionsventilen 5. Utströmmande köldmedium måste undvikas bl a därför att:

a) det är oerhört giftigt b) lukten är besvärande c) förfrysning uppstår, om köldmediet sprutar ut som vätska och träffar ögon eller hud. 6. Köldmediadiagrammet är indelat i tre delar från vänster:

a) vätska, överhettat, fuktigt område b) vätska, fuktigt område, överhettat område c) fuktigt område, vätska, överhettat område 7. Den Carnotska köldfaktorn är alltid:

a) större än den verkliga b) mindre än den verkliga c) lika med den verkliga

13EXPERIMENTUTFÖRANDE 1. Kontrollera att vattenslangarna till kondensorn är kopplade till en kallvattenkran på vattennätet. Öppna kranen.( OBS! Kondensortermostaten öppnar vid T8 > 40 °C. ) 2. Kontrollera att vattenslangar är kopplade mellan förångare och övre vattentank, samt att trevägsventilerna är i rätt läge för cirkulation mellan övre vattentank och förångare. 3. Starta cirkulationspump så att vatten börjar cirkulera mellan förångare och övre vattentank. ( U˜5V , I˜3A ) 4. Koppla in elvärmare med önskad uppvärmningseffekt (ges av handledaren) samt starta värmepumpen genom att vrida strömvredet till läge I. (Om kraftiga vibrationer i kompressorn uppstår, stängs värmepumpen ögonblickligen av genom att vrida strömvredet till läge 0 och handledaren tillkallas.) Uppvärmningseffekten bestäms m h a tångamperemeter/voltmeter. 5. Låt värmepumpen gå tills dess systemet stabiliserats (fortvarighet erhållits). Studera exempelvis temperaturändringen i T1 ( temperaturen efter kompressorn ). Diskutera med handledaren när fortvarighet uppnåtts. När fortvarighet erhållits mäts ström och spänning till elpatron i övre vattentank och till kompressormotor. Därefter avläses tryck- och temperaturmätinstrument samt köldmedieflödesmätare. Vattenflöden bestäms m h a mätglas och tidtagarur och alla mätresultat förs in i protokoll. KÖLDMEDIEDIAGRAM - Tryck/Entalpi-diagram

Det diagram som mest används inom kyltekniken är det s k h-log p diagrammet. abskissan = entalpin h ordinatan = log trycket p. Ur detta diagram kan avläsas tryck och entalpiändringar mellan olika köldmedietillstånd.

Fig.18

Förutom tryck- och entalpivärden kan även temperatur-, specifika volym- och entropivärden för köldmediet avläsas ur diagrammet. De i diagrammet x-markerade linjerna anger hur stor del av köldmediet som är ånga ex. x = 0. 6 → 60 % ånga, 40 % vätska

Fig.19

log P bar

hkJ/kg200

2.9

log P bar

hkJ/kg

14

KOMPRESSORN Kompressorn suger torr mättad forane 134a-ånga av temp Tc med värmeinnehållet hA och specifika volymen vA. Den insugna lågtrycksångan representeras av punkten A. Om nu komprimeringen av ångan i kompressorn kunde ske reversibelt och adiabatiskt, dS = 0, skulle den representeras av linjen A - B. Punkten B med temperaturen TB entalpin hB representerar köldmediets tillstånd strax före kondensorn.

Fig.20

KONDENSORN Efter komprimeringen följer så kondenseringen som sker vid konstant tryck P2. Kondenseringen representeras alltså av linjen B-C. Punkten C med temperaturen Th och entalpin hC blir alltså köldmediets tillstånd strax före expansionsventilen.

Fig.21

EXPANSIONSVENTILEN I expansionsventilen sänks köldmediets tryck från P2 till P1. Denna tryckminskning sker utan entalpiändring dvs förloppet representeras av linjen C-D. Punkten D med temp Tc och entalpin hC representerar alltså köldmediets tillstånd strax före förångaren.

Fig.22

hkJ/kg

log Pbar

hA hB

hC hA hB

log P bar

hkJ/kg

hC hA hB

hkJ/kg

log P bar

Tc

Tk

Tc

Tc

vA

vA

vA

Th

Th

15

FÖRÅNGAREN Slutligen sker så förångning i förångaren vid konstant tryck P1, vilken representeras av linjen D-A. När köldmediet således kommer fram till punkten A är det helt förångat och sugs återigen in i kompressorn för förnyad komprimering etc.

Fig.23

För att erhålla en bättre verkningsgrad samt undvika vätskeslag i kompressorn låter man vanligen köldmediet underkylas något i kondensorn, samt överhettas i förångaren, vilket ger ett kretsförlopp enligt Fig. 24

Fig.24

De ovan redovisade förloppen är att betrakta som ideala, medan förångningsprocessens verkliga förlopp får ett något annorlunda utseende i diagrammet bl a på grund av tryckfallen i köldmediekretsen, värmeutbytet med omgivningen etc.

Fig.25 PROTOKOLL

log Pbar

hC hA hB

hkJ/kg

log P bar

hC hA hB

hkJ/kg

log P bar

hkJ/kg

Tc

Tc

vA

vA

Th

Th

16

ELVÄRMAREFFEKT W

TRYCK KÖLDMEDIUM

1. Efter kompressor + 1 bar =

2. Efter kondensor + 1 bar =

3. Före expansionsventil + 1 bar =

4. Före förångare + 1 bar =

5. Efter förångare + 1 bar =

6. Före kompressor + 1 bar =

TEMPERATUR KÖLDMEDIUM

1. Efter. kompressor °C

2. Efter kondensor °C

3. Före expansionsventil °C

4. Före förångare °C

5. Efter förångare °C

6. Före kompressor °C

TEMPERATUR VATTEN

l. Vattentemp. kondensor in °C

2. Vattentemp. kondensor ut °C

3. Vattentemp. förångare in °C

4. Vattentemp. fórångare ut °C

FLÖDEN

1. Rotameter skalstreck kg/h

2. Vatten kondensor l/s

3. Vatten förångare l/s

KOMPRESSORDATA

Ström till kompressor A

Spänning till kompressor V

17

18 EFFEKTBESTÄMNINGAR l. KONDENSOR Effekten som avges till vattensystemet i kondensorn bestäms genom att mäta vattenflödet, )( 2OHmkond& , och temperaturökningen över kondensorn.

))()(()()(222 inTutTCOHmOHP kondkondOHkondkond −⋅⋅= & W ( .

)

C Spec värme

kapaciteten för vattenH O2

= −

På köldmediesidan bestäms värmeeffekten i kondensorn genom att mäta köldmedieflödet, & ( )m R a134 , och entalpiändringen, ∆hkond . P R a m R a hkond kond( ) & ( )134 134= ⋅ ∆ W

2. FÖRÅNGARE Tillförd värmeeffekt i vattentank bestäms genom att mäta ström och spänning till elvärmaren m h a tångamperemeter och voltmeter, eller genom att mäta temperaturskillnaden över förångaren och cirkulerat vattenflöde, )( 2OHm för& . P värmeeffekt U Iför ( ) = ⋅ W

))()(()()( öö22ö 2utTinTCOHmOHP rfrfOHförrf −⋅⋅= & W

På köldmediesidan bestäms kyleffekten i förångaren genom att mäta köldmedieflödet &m R a( )134 och entalpiändringen ∆hför .

P R a m R a hf r f rö ö( ) =134 134& ( ) ⋅ ∆ W 3. KOMPRESSOR På köldmediesidan bestäms kompressoreffekten ur:

)134(R)134()134( ö aPaRPaRP rfkondkomp −= W

För att bestämma anläggningens verkliga köld- och värmefaktor måste även förluster mellan motor och kompressor beaktas. Kompressoreffekten skall då ersättas av motoreffekten som bestäms med hjälp av tångamperemeter och voltmeter. P U I f fmotor = ⋅ ⋅ cos cos W ( = . )0 65

19KÖLD - OCH VÄRMEFAKTORBESTÄMNINGAR

Köldmediets köldfaktor: förkond

för

komp

förköldmediek hh

haRPaRP

∆−∆

∆==

)134()134(

,ε

Köldmediets värmefaktor: 1)134()134(

,, +=∆−∆

∆== köldmediek

förkond

kond

komp

kondköldmediev hh

haRPaRP

εε

Verkliga köldfaktorn: motor

förverkligk P

OHP )( 2, =ε

Verkliga värmefaktorn: motor

kondverkligv P

OHP )( 2, =ε

Carnotska köldfaktorn: ch

cCarnotk TT

T−

=,ε

Carnotska värmefaktorn: ch

hCarnotv TT

T−

=,ε

20Namn:_________________________________________________ Datum:________________________________________________ Handledare:____________________________________________ KYLMASKIN / VÃRMEPUMP INNEHÅLL: 1. Figur över princip för kylmaskin/värmepump med ingående huvuddelar, samt förklaring av de ingående delarnas funktion. 2. Tryck/Entalpi - diagram för processen. 3. Tabell över kondensor-, förångar- och kompressoreffekterna. 4. Ange a ) köldmediets köldfaktor köldmediek ,ε köldmediets värmefaktor köldmediev.ε b) verkliga köldfaktorn verkligk ,ε verkliga värmefaktorn verkligv,ε c) Carnotska köldfaktorn Carnotk ,ε Carnotska värmefaktorn Carnotv,ε 5. Resultatdiskussion