heat pump

Sep2010

FYSIK Institutionen för ingenjörsvetenskap, fysik och matematik

VÄRMEPUMPEN Det går inte att överföra inre energi från ett kallare område till ett varmare, men genom att tillföra energi utifrån är det möjligt att åstadkomma en sådan process. Värmepumpen är ett exempel på en sådan maskin (figur 1.). Principen är följande; Ett så kallat köldmedium pumpas runt i ett slutet system mellan en förångare (placerad utomhus) och en kondensator (placerad inomhus). Till förångaren kommer vätskan i flytande fas. Gastrycket i förångaren hålls på en sådan nivå att köldmediets kokpunkts är lägre än omgivningens temperatur. Detta gör att inre energi strömmar från omgivningen till förångaren där vätskan kokar. Den ånga som bildas pressas samman i kompressorn och pumpas vidare till kondensatorn. När trycket ökar blir ångan varmare, och dessutom höjs dess kokpunkt så att den ligger över temperaturen på kondensatorns omgivning. Ångan kondenseras då till en vätska under avgivande av värme som strömmar till omgivningen. Det höga trycket i rörledningen pressar vätskan genom en strypventil (förträngning) i röret till förångaren och ett nytt kretslopp börjar.

Figur 1. Principen för en värmepump. Kompressorn förbrukar elenergi för att hålla igång kretsloppet, men den energin är mindre än den inre energi som avlämnas från kondensatorn. I kyl och frysskåp används just denna process. Men för att hålla temperaturen nere måste inre energi föras bort. Därför placeras förångaren inne i skåpet och kondensatorn utanför.

1

Vi skall nu studera de olika processer som förekommer i en värmepump. I figur 2 visas processerna i ett TS och ett ph diagram. Utgående från punkt 1, där kylmediet befinner sig som torr, mättad ånga vid temperaturen T2 och trycket p2. Via en kompressor, där ett mekaniskt arbete wt tillförs, sker en adiabatisk process till de högre tryck p1 och temperatur T1 (punkt 2.). Den torra ångan avger nu värmemängden q1, varvid den helt kondenseras till en vätska med temperaturen T1 (3). Vätskan passerar sedan genom en strypventil till det lägre trycket p2, varvid den expanderar irreversibelt till punkt 4. Denna expansion sker utan värmeutbyte med omgivningen, och inget yttre arbete utförs, varvid vi vet att entalpin (h) är konstant. Se Joule-Thomson effekten i er lärobok.

Figur 2. Kylprocess genom förångning. Kylskåp eller värmepump. Principskiss och motsvarande TS-diagram och ph-diagram

Trots att expansionens förlopp inte kan visas i ett TS-diagram (irreversibel process) så är sluttillståndet (4) definierat, då tryck och entalpi är kända. Den fuktiga ångan (4) tar sedan upp värme mängden q2, och förgasas helt. Kylmediet har fullbordat en cykel. För att värmetransporten skall ske i rätt riktning måste T1 ligga något över omgivningens temperatur och T2 något under sin omgivningstemperatur.

2

Vid beräkning av kylprocesser används vanligen tryck-entalpi diagram (ph-diagram) eftersom man kan läsa ut entalpiskillnaden direkt. Av praktiska skäl används oftast en logaritmisk skala för trycket (Mollier diagram). I figur 2 visas ett ph-diagram för processen. Kompressionen 1→2 sker utefter en isentrop (konstant entropi). Kondensationen 2→3 och förångningen 4→1 sker vid de konstanta trycken p1 resp. p2, medan strypningen 3→4 sker vid konstant entalpi. Ur diagrammet läses direkt storheterna: q1 = h2 − h3

q 2 = h1 − h4 (h3 = h4 ) w1 = h2 − h1

Vi får då fram köldfaktorn ε, liksom värmefaktorn εv: q2 w1 q εV = 1 w1

ε=

Som kylmedium måste man välja ett ämne med lämplig kokpunkt inom rimliga tryckområden. För kyl- och frysanläggningar användes tidigare oftast ammoniak eller freon.

Teorifrågor: 1.

Kan man minska temperaturen i ett rum genom att öppna kylskåpsdörren?

2.

I vilken riktning skall processen i TS och PV diagrammen gå för att vi skall ha en kylprocess?

3.

Som nämnts ovan användes tidigare oftast ammoniak eller freon som kylmedium i kyl- och frysanläggningar. Vad använder man idag?

3

Utförande: Laborationen utförs på en färdig uppställning, se figur 3. Kondensatorn (kopparspiralen till höger) och förångaren (till vänster) skall vara nedsänkta i vatten. För att kunna utföra beräkningar av effektiviteten skall mängden vatten mätas (vikt eller volym). För att kunna bestämma effekten som förbrukas av värmepumpen skall en wattmeter användas. Välj rumstempererat vatten och anteckna startvärdena för temperaturen på vattnen på kondensator- respektive förångnings-sidan, samt trycken hos köldmediet. Efter att värmepumpen startats, anteckna värden varje minut. Avsluta försöket när temperaturen når ca 50° C. Anläggningens övertrycksskydd kan komma att lösa ut innan 50° C uppnås. Avsluta i så fall där.

Figur 3. Experimentuppställningen. Beräkningar: I. Beräkna värmefaktorn respektive kylfaktorn då q1 och q2 fås temperaturerna före respektive efter försöket och w fås från wattmetern.

från

II. Beräkna värmefaktorn respektive kylfaktorn då q1=h2-h3, q2=h1-h4 och w=h2h1. Entalpivärdet beräknas ur tabell för det aktuella kylmediet (R 134 a). Anta fullständig kondensering och förångning i kondensorn respektive förångaren. III. Studera de två sätten att få fram värmefaktorn och kylfaktorn. Blir det någon skillnad? Om så är fallet förklara varför. Diskutera även vilka parametrar som skulle behöva vara kända för att kunna jämföra värdena på q, w och ε, i uppgift I och II.

4