toplotne pumpe predavanja

8/12/2019 Toplotne Pumpe predavanja

1/39


2/39

PRIRODNO HLAENJE

Prirodno hlaenje se odvijasamo od sebe, jer pritemperaturitijela T vedoj od temperature okoline Tok, hlaeno tijelo

nepovratno teitoplotnoj ravnoteis okolinom. Ukupni prirast entropije je pozitivan, i proces se odvija sam od

sebe, nepovratno.


3/39

PROCESNO HLAENJE

Kada treba osigurati hlaenje tijela koje je na temperaturi T0nioj od temperature okoline prirast entropije cjelokupnogsistema bio bi negativan, tj. toplina bi trebala prijedi od tijela

niena tijelo vietemperature, tonije mogude.


4/39

Da bi se omogudioprijenos topline s niena viu temperaturumora se dodatnim procesom, okolini pored topline Q0dovesti i

neka toplina Q (4ecb) nastala pretvaranjem nekog drugogoblika energije i tako se dobije dodatni pozitivni prirast

entropije prikazan na slici uinomb-c. Ukupni prirast entropijetreba biti vediili barem jednak nuli.

Minimalni iznos energije za kompenzaciju negativnog prirasta

sumarne entropije iznosi odatle


5/39

Da bi se proces mogao praktiki provesti, trebati de dovoditivieenergije od Q, pa desveukupna promjena entropije biti

Kod kompresijskih rashladnih procesa mehaniki rad jepotrebna kompenzacijska energija, pa vrijedi

Odatle slijedi faktor hlaenja, pomou kojeg se moe

ocijenitidobrota rashladnog procesa.


6/39

Faktor hlaenja je povoljniji (vii) to je manja razlikatemperatura T i T0.

Za konstantnu temperaturu T0 faktor jehlaenja vii to je nia temperatura T.

Za konstantnu temperaturu T faktor je

hlaenjaviitoje viatemperatura T0.


7/39


8/39

S obzirom na porijeklo i postojanost temperaturnog

nivoa, toplotni izvori za toplotne pumpe mogu se

podijeliti u skupine:

- prirodni, kod kojih je temperatura uglavnom

promjenjivaokolni zrak;

- prirodni s konstantnim temperaturama - povrinskevode (vodotoci, mora), podzemne vode,tlo, Sunevaenergija;

- umjetni otpadne vode te otpadni i istroeni zrak izprostorija ili industrijskih procesa.


9/39

Toplotne pumpe nazivaju se prema redoslijedu izvora/nosiocatoplote, tako da toplotne pumpe, s obzirom na izvor toplote,

moemotakoerpodijeliti u tri osnovne skupine:- toplotne pumpe tlo-voda koje kao toplinski izvor koriste slojeve

tla, a kao nosilac topline se koristi voda;

- toplotne pumpe voda-voda: kao toplinski izvor koristepodzemne, povrinske ili otpadne vode, a nosilac toplote je

voda;

- toplotne pumpe zrak-voda i zrak-zrak: kao toplinski izvor koristeokolni, istroeni, otpadni ili oneideni zrak, a kao nosilactoplote se koristi u jednom sluajuvoda, a u drugom zrak.


10/39

U tehnikoj praksi toplotne pumpe se najedekoriste za:

- grijanje i hlaenje prostora

- rekuperaciju toplotne energije.

Gledano sa stanovita investicije u toplotnu pumpu moe seodmah zakljuiti da se u naem klimatskom podruju ureaj

veoma racionalno koristi jer se u zimskom periodu koristi zagrijanje, a u ljetnjem periodu za hlaenje prostora.

Toplotna energija iz toplih otpadnih voda moe da se pomodutoplotne pumpe vrati i ponovo iskoristi za zagrijavanje prostora

ili zagrijavanje vode.


11/39

Princip rada toplotne pumpe

Toplotna pumpa energiju za zagrijavanje proizvodi 75% izprirodne okoline uz pomod25% uedael.energije.

U rashladnom krugu energija iz okoline se oduzima i predaje narashladni medij, tako da on isparava gdje biva usisan od stranekompresora i sabijen obijajuditako viutemperateru.

Vrela para struji u kondenzator tu se kondenzuje i pri tome

oslobaatoplotu. Rashladni medij nastavljajudiu takvom agregatnom stanju svoj

put dalje iza ekspanzionog ventila prelazi u normalno stanje icijeli proces se ponavlja.

Elektrinaenergija pri tome nije izgubljena nego je prelau vid

potencijalne energije rashladnog medija. Tako npr. moe se uzuedeel. energije od 1kW minimalno proizvesti 4kW energijeza zagrijavanje.


12/39

ematski prikaz raa toplotne pumpe


13/39

Dakle osnovni dijelovi toplotne pumpe su:

- ispariva- kompresor- kondenzator- ekspanzioni ventil

Svi ovi dijelovi se nalaze u zajenikom kuditu kao jednacjelina, te ih je potrebno samo spojiti na dovod radnog medija,razvod ogrjevnog medija, elektrinu mreu te sistemautomatske regulacije.

IsparivaTekudi radni medij na primarnoj strani nalazi se na niempritisku prilikom primanja topline iz okolia. Temperaturaokoline via je od temperature isparavanja radnog medija pripritisku na kojem se nalazi radni medij u isparivau tako daradni medij potpuno isparava i pri tom uzima toplinu iz okoline.


14/39

- Rashladni uinak isparivaaovisi o ukupnoj povriniza izmjenutopline, koeficijentu prolaza topline izmjenjivaa i razlicitemperature radnog medija koji isparava.

- U cilju to manje i kompaktnije dimenzije cijelog ureaja(dizalice topline), na izvedbu isparivaa treba takoerpostavitizahtjev tomanjih dimenzija.

KompresorKompresor usisava radni medij iz isparivaa, poie mutemperaturu i pritisak na vrijednost na kojoj se omogudavanjezina kondenzacija na temperaturi koja je via odtemperature ogrjevnog medija.

- Rashladni uinak kompresora mora biti jednak rashladnomuinkuisparivaa,te mora omoguditikomprimiranje cjelokupneradne tvari iz isparivaa.


15/39

Ovisno o nainu na koji se izvoi stlaivanje, postoji nekolikoosnovnih izvedbi kompresora:

- klipni kompresori

- vijani kompresori- spiralni kompresori

- turbokompresori

KondenzatorNakon prolaska kroz kompresor, radni medij odlazi na

sekundarnu stranu (sistem grijanja) u kondenzator koji je

opstrujavan ogrjevnim medijem. Temperatura ogrjevne vode je

niaod temperature kondenzacije radnog medija tako da radnimedij kondenzira i ponovno se ukapljuje.


16/39


17/39


18/39

IZVORI ENERGIJE ZA TOPLOTNE PUMPE

Na toplotni izvor se postavlja niz zahtjeva da bi se

osigurao ekonomian rad dizalice topline. Meunajvanijimasu sljeedi:

- toplotni izvor treba osigurati potrebnu koliinutoplote u svako doba i na toviojtemperaturi,

- trokovi za prikljuenje toplotnog izvora na dizalicutopline trebaju biti tomanji,

- potreba energije za transport toplote od izvora do

isparivaadizalice toplote treba biti tomanja.


19/39

Kriteriji za ocjenu su sljeedi:

- Nivo temperature

- Raspoloivostna lokaciji i u vremenu- Vremenska podudarnost potrebe za toplinom i raspoloivostiizvora

- Mogudnostsamostalnog koritenja

- Utroakenergije za ovoenjetopline do isparivaa

- Hemijska i fizikalna svojstva nosioca topline

- Trokoviizvedbe postrojenja

- Uticaj na ravnoteuokoline i zagaenjeokoline

- Pogodnost za masovnu proizvodnju


20/39


21/39

ZRAK

- Toplotne pumpe zrak - voda, ili zrak - zrak, kod kojih je izvor

topline zrak, a nosilac topline u krugu grijanja voda ili zrak,iroko su rasprostranjeni ureaji, zbog jednostavnostiprikljuenja na sistem grijanja i zbog prisutnosti toplotnogizvora uvijek i na svakom mjestu.

- Optimalna koliina zraka sa stanovita utroka energije za radkompresora i ventilatora krede se u granicama od 300 do 500m3/h zraka, za 1 kW toplote oduzete iz izvora.

- Ako se usvoji srednja vrijednost protoka zraka od 400 m3/h,

njegovo ohlaenje treba iznositi 10 K da bi mu se oduzela

toplota 1 kW.


22/39


23/39

Za zaleivanjeisparivaaje kritinoporujetemperatura zrakaod od -2 do -7oC jer zrak pri tim temperaturama sarijouvijekznatnu koliinuvlage.

Kad se na isparivau stvori led, treba prekinuti rad dizalicetopline i troitienergiju za oleivanje.

Ukupna potronja topline za oleivanje krede se oko 5% do10% energije utroene goinje za pogon kompresora dizalice

topline. Drugi problem o kojem treba voditi rauna je i buka. esto to

predstavlja ograniavajudifaktor za primjenu.

Ekonominuprimjenu dizalica topline zrak - voda (ili zrak - zrak)

najvie oteava razliito vrijeme pojave maksimumatemperature zraka i potrebe neke grijane zgrade za toplinom.


24/39

Kad je temperatura vanjskog zraka najnia, potreba topline jenajvia,iako to ovisi i o vrsti potroaa,toje prikazano na slici.


25/39

Oreivanje veliine dizalice topline i potronje energije zaproizvodnju potrebne topline, pitanje je naina pogona

(monovalentni, bivalentno alternativni ili bivalentno paralelni),veliinei cijene dodatnog grijanja, te cijene energije.

Zemlja

Koritenje topline iz tla predstavlja ustvari koritenje suneve

energije koja dospijeva na povrinu i akumulira se u tlu. Zatehniko iskoritavanje zanemariva je toplina koja iz uarenezemljine jezgre prolazi prema povrini. U praksi se toplinskaenergija unutranjosti zemlje koristi ede na mjestima tzv.geotermalnih anomalija (geotermalni izvori i sl.).


26/39

Zbog velike akumulacione sposobnosti tla,temperatura u dubini ne mijenja se isto kao itemperatura na povrini, ved se javlja vremenskipomak koji raste s dubinom i smanjenje amplitudetemperaturne promjene koje je to vedeto je dubinaveda.

Dubina od oko 15 m je ona na kojoj se ne osjeti uticaj

goinjihoscilacija temperature. S povedanjemdubinetemperatura zemlje raste, pa se danas izvode ivertikalne buotineradi koritenjatopline.

Ipak, oduzimanje topline koja je posljedica sunevogzraenja iz zemlje za dizalicu topline provodi se

uglavnom preko cijevnih registara ukopanih u zemlju,kroz koje struji fluid koji prenosi toplinu.


27/39


28/39

Na prvi pogled izgleda pogodnije ukopavanje cijevi preko kojihse toplina oduzima tlu na tovedudubinu, gdje su temperaturejednolikije.

Meutim, kako se tlu oduzeta toplina naoknauje odsunevog zraenja u ljetnom razdoblju, zemlja se na vedojdubini ne bi stigla ponovno zagrijati, tako da bi se s vremenomformirao oko cijevi sloj trajnog leda.

Prijelaz topline od tla na rashladno sredstvo odvija se

uobiajeno u dva toplotna izmjenjivaa - cijevnom snopu uzemlji i u isparivau.

Ako u ukopanim cijevima isparuje radni medij, smanjuje seukupna temperaturna razlika izmeu tla i radne tvari, jer seizbjegava posrednik pri prijenosu topline. Tada se prosjenitoplinski mnoilacpovedavaza 10 do 15 % .


29/39

Preporuuje se dubina ukopavanja cijevi toplinskogizmjenjivaa u zemlji 0,8 do 1,5 m, s razmakom cijevi

od 1 m do 0,5 m.

Zbog zatite od stvaranja trajnog leda uslijedprevelikog ovoenja topline ne preporua se

ovoenje vie od 35 W po unom metru cijevi, izegase moeodrediti da je za 1 kW odvedene toplinepotrebno ugraditi najmanje 30 m cijevi.

esto se u zemlju dodatno sprema toplina iz krovnih

solarnih kolektora, imese poietemperatura tla.


30/39


31/39

PODZEMNA VODA

- voda se crpi iz bunara - produkcione buotine,a kad je

ohlaena, moe se odbaciti u kanalizaciju ili prekoupojne buotinenatrag u podzemni vodotok.

- Upojna buotina mora se nalaziti iza produkcione usmjeru toka podzemne vode.

Na dubinama vedim od 15 m, promjena temperaturepodzemne vode s vremenom je zanemariva.


32/39

Podzemna voda je uglavnom istai nije agresivna.

Mogu se postidi prosjeni toplinski mnoioci pri

grijanju zgrada koji su reda veliine3,5 do 4 ako se radio sistemu niskotemperaturnog grijanja.


33/39

POVRINSKAVODA Prijenos topline od povrinske vode na radnu tvar u

pravilu se provodi preko posrednog kruga za prijenostopline.

U toplinskom izmjenjivau povrinska voda predajetoplinu vodi u posrednom krugu. Tek ova voda, ili priniim temperaturama smjesa glikola i vode, prenosi

toplinu u ispariva. To se radi zbog prisutnosti oneidenja, soli, i fosfata

(koji pogoduju rastu algi) u povrinskimvodama. U ovusvrhu potrebno je ugraditi ploaste izmjenjivae

topline koji se lako iste i predvidjeti druge mjere zaspreavanjerasta algi (npr generatori klora ako se radio morskoj vodi).


34/39

Ako se toplotna pumpa konstruie za konkretno postrojenje iizvodi od komponenti na mjestu ugradnje, to je vrlo rijedak

sluaj, moe se ispariva izvesti kao cijevni registar uronjen uvodu.

Ovim nainom mogla bi se smanjiti razlika temperature vode itemperature isparivanja i mogu se postidi 10 do 15 % vediprosjenigoinjitoplinski mnoiocinego u sluajuda se koristiposredni krug za prijenos topline.

tose temperature tie,kod manjih rjeica,moese u periodugrijanja raunati sa temperaturom koja odgovara srednjimmjesenimtemperaturama vanjskog zraka uvedanimza 1,5 do 2

K.


35/39

U tom sluaju, zbog niskih zimskih temperatura,dodatna su grijanja neizbjena,ali pokazuje se da se ido 90 % goinje potrebe za toplinom moe dobitiradom dizalice topline.

Vede rijeke, koje protiu kroz industrijska sreitaimaju zbog raznih otpadnih toplina (kanalizacija,industrijski procesi) takve temperature da zimi

uglavnom ne smrzavaju, pa su sa stanovitatemperature pogodan toplinski izvor. Temperature mora su izuzetno povoljne, posebno na

dubinama ispod 10 m, ali treba voditi rauna i olokalnim uslovima - morske struje, izvori i sl.

S morskom vodom moe se uvijek izvestimonovalentni sistem grijanja i hlaenja.


36/39

SUNEVA ENERGIJA

Iako su naprijed spomenuti izvori svi na neki nain

transformirana ili akumulirana sunevaenergija, ovdjese misli na neposredno koritenje putem solarnihkolektora ili apsorbera.

Mogude je koritenjeu neposrednom sistemu tako da

je ispariva dizalice topline solarni kolektor (povedavase temperatura isparivanja), ili pak posredno s nizomkombinacija u nainumanipulacije energijom.

Uglavnom se koriste solarni apsorberi (neizolirani

kolektori), ili neke varijante ventiliranih krovova ilifasada.


37/39

Monovalentni sistemi s apsorberom kao isparivaem dizalicetopline


38/39


39/39

- prilagodba

koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Zimi za

grijanje, a ljeti za hlaenje

- ekologija

izalice topline gotovo ne zagauju okolinu, te su

vaan faktor u smanjenju oneidenja atmosfere

Nedostaci toplotnih pumpi:

- investicijski trokovi vedi su nego ko ostalih sistema

toplotne pumpe predavanja

Documents