budowa i zasada działania absorpcyjnej pompy ciepła

budowa i zasada działania absorpcyjnej pompy ciepła

Anna Janik
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
Wydział Energetyki i Paliw
BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA
ABSORPCYJNEJ POMPY CIEPŁA
1. WSTĘP
W ostatnich latach obserwuje się wzrost zainteresowania tematem pomp ciepła.
Spowodowane jest to kilkoma przyczynami – drożejącymi cenami surowców energetycznych,
ograniczaniem emisji szkodliwych substancji, oraz polityki przyjaznej środowisku,
która bezpośrednio wynika z postanowień Unii Europejskiej. Rozwój w dziedzinie
odnawialnych źródeł energii jest bardzo gwałtowny i skutkujący powstawaniem nowych
technologii. Ożywienie w dziedzinie pomp ciepła zaobserwowano również ze względu
na stosunkowo niski koszt ich eksploatacji. Efektem tego jest stworzenie absorpcyjnej pompy
ciepła, która staje się coraz powszechniejsza na Polskim rynku.
2. OGÓLNA ZASADA DZIAŁANIA POMP CIEPŁA
Zasada działania pomp ciepła opiera się na obiegu Lindego, który został obrazowany
poniżej na wykresach p-h oraz T-s.
Rys. 1 Obieg Lindego na wykresie p-h oraz T-s
1
Działanie pomp ciepła polega na przekazywaniu ciepła z niskotemperaturowego dolnego
źródła ciepła do górnego, po wcześniejszym podwyższeniu temperatury czynnika roboczego.
Na wykresach pomiędzy punktami 1-2 realizowany jest proces izotermiczno-izobarycznego
sprężania pary mokrej (wynika to z jego położenia nad krzywą graniczną). Następnie
przegrzana para jest ochładzana (pK = const – na wykresie T-s odcinek od punktu 2
do załamania przy krzywej granicznej), aby później została skroplona przy stałym ciśnieniu
i
temperaturze
skraplania
(pK
=
const
i
tK
=
const).
Od
punktu
3 do 4 następuje izentalpowe dławienie cieczy (teoretycznie w stałej temperaturze
parowania). Ostatnia przemiana (wrzenie) charakteryzuje się tym, że zachodzi przy stałym
ciśnieniu oraz temperaturze parowania (p0 = const i t0 = const) [1].
3. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA ABSORPCYJNEJ POMPY
CIEPŁA
Absorpcyjna pompa ciepła składa się ze skraplacza, parownika oraz zaworu
regulacyjnego. Rolę sprężarki mechanicznej (zastosowanej w sprężarkowej pompie ciepła)
zastępuje zespół urządzeń: warnik,
absorber, pompa oraz zawór rozprężny - nazywany
ogólnie sprężarką termiczną (ogólna budowa została przedstawiona na Rys. 2). Dodatkowo
(oprócz budowy), różni się od sprężarkowej pompy ciepła poprzez różne wymuszenie pracy –
wymaga doprowadzenia ciepła, a nie energii elektrycznej.
Zasada pracy zostanie przedstawiona na przykładzie pompy posiadającą czynnik roboczy
będący roztworem amoniaku i wody. Do warnika doprowadzane jest ciepło uzyskiwane
w wyniku np. spalanie gazu w komorze spalania. Poprzez wzrost temperatury amoniak
znajdujący się w mieszaninie roboczej (będącej tzw. roztworem bogatym) paruje,
aby następnie w absorberze oddać ciepło do górnego źródła ciepła. W kolejnym etapie
cyrkulujący w obiegu amoniak (w postaci cieczy) pobiera ciepło w parowniku i przepływa
do zaworu regulacyjnego. Zawór ten rozpręża ciekłą substancję uzyskując niższe ciśnienie
i temperaturę czynnika. Następnie w parowniku pobiera ciepło z dolnego źródła ciepła
w wyniku czego zaczyna parować. Amoniak (w postaci pary) w absorberze pochłaniany jest
przez roztwór ubogi – wracając tym samym do początkowego stanu amoniak-woda.
W absorberze roztwór bogaty oddaje również ciepło, które zostaje wygenerowane w procesie
absorpcji. Ostatecznie, poprzez działanie pompy, czynnik zostaje przetransportowany
do warnika gdzie ponownie zaczyna się wyżej opisany proces. Należy zauważyć,
2
że omawiany rodzaj pompy ciepła wykorzystuje nie tylko ciepło skraplania, ale również
i ciepło absorpcji.
Rys. 2 Ogólna budowa pompy absorpcyjnej
Wracając do budowy pompy ciepła (znając jej zasadę działania) należy również zwrócić
uwagę na zastosowanie w obiegu rektyfikatora i deflegmatora. Są one zamontowane
w warniku. Po odparowaniu w rektyfikatorze następuje proces o tej samej nazwie
(rektyfikacja), który polega na rozdzieleniu mieszaniny poprzez odparowanie (destylację
kaskadową) substancji wchodzącej w jej skład. Rektyfikator jest podłużną kolumną,
na spodzie której znajduje się cyrkulujący w sprężarce termicznej roztwór, ponad którym
unosi się para. Na rektyfikatorze, znajduje się deflegmator, którego zadaniem jest
odprowadzanie pozostałości ciekłej od pary. Deflegmator, powoduje częściowe skroplenie
pary, a otrzymaną ciecz odprowadza z powrotem do rektyfikatora. Pozwala to na uzyskanie
lepszych parametrów w prowadzonych później procesach.
3
4. OBIEG PORÓWNAWCZY ABSORPCYJNEJ POMPY CIEPŁA
Ponieważ procesy odbywające się w układzie absorpcyjnej pompy ciepła opierają się
na chemicznych właściwościach czynnika roboczego, bardzo istotnym parametrem jest
stężenie czynnika w roztworze. Poniżej został przedstawiony obieg na wykresie lg p od 1/T.
Ukazuje on w sposób schematyczny zasadę działania absorpcyjnej pompy ciepła w oparciu
o zmianę stężenia. Odpowiednio temperatura absorpcji zaznaczona jest jako tA, temperatura
warnika – tH, temperatura skraplania tc i parowania t0 oraz stężenie czynnika w roztworze jako
ξ. Ciśnienie oznaczone indeksem C jest ciśnieniem nasycenia. Różnica między stężeniami ξR
oraz ξA, nazywana jest stopniem odgazowania roztworu i wraz z jej spadkiem zwiększa się
wymagana krotność przepływu mieszaniny przez warnik aby otrzymać 1kg pary czystego
ziębnika (czyli na wcześniejszym przykładzie amoniaku) [3].
Rys. 3 Jednostopniowy obieg absorpcyjnej pompy ciepła na wykresie lg p, 1/T
(na podstawie [3])
Przebieg pracy absorpcyjnej pompy ciepła, można również przedstawić na podstawie
idealnego obiegu porównawczego – Carnota. Poniżej został on pokazany w interpretacji
temperatury od entropii.
4
Rys. 4 Obieg Carnota dla absorpcyjnej pompy ciepła na wykresie T-s (na podstawie [3])
Na wykresie T-s absorpcyjnej pompy ciepła występują dwa równorzędne obiegi – chłodniczy
i grzewczy. Każdy z nich odpowiada działaniu odpowiednio czynnika chłodniczego
i roboczego. Energia, która dostarczana jest do każdego z tych obiegów jest taka sama –
co oznacza, że pola na Rys. 4 są takie same.
5. PODSUMOWANIE
Absorpcyjne pompy ciepła ograniczają zużycie energii elektrycznej w układzie (zachowując
przy tym wysoką sprawność procesu) co jest ich niewątpliwym plusem. Niestety wysokie
parametry pracy stawiają wysokie wymagania co bezpośrednio rzutuje na cenę tych urządzeń.
Jest to jednak rekompensowane przez niski koszt ich eksploatacji.
Urządzenia
te stosowane są głównie w układach biwalentnych, wraz z systemami solarnymi lub energią
spalania paliwa w kotle. Wzrastające zainteresowanie tematem pomp ciepła, pozwala sądzić,
iż rozwój w tej dziedzinie może spowodować obniżenie kosztów co pozwoli
na powszechniejsze stosowanie tych urządzeń.
5
LITERATURA
[1] Gutowski Kazimierz M., Chłodnictwo i klimatyzacja, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
Warszawa 2003
[2] Albers J., R. Dommel, Montaldo-Ventsam H., Systemy centralnego ogrzewania i wentylacji;
poradnik dla projektantów i instalatorów, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007
[3] Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.-R., Kompentium wiedzy; Ogrzewnictwo, klimatyzacja,
ciepła woda, chłodnictwo 2008/2009, Wydawnictwo Omni Scala Wrocław 2008
6