Labrapport V¨ armepump Termodynamik 5A1210 S¨oren Gr¨onqvist M˚ angatan 21 195 58 M¨arsta Tel: 08-591 159 04 073-923 42 14 e98
[email protected] Patrick Strang Anna Maria Roos v¨ag 56 146 54 Tullinge Tel: 08-607 44 07 070-660 59 47 e97
[email protected] Assistent: David Bergstr¨om Laborationen utf¨ordes: 6 oktober 1999 Rapporten inl¨amnades: 15 oktober 1999
Syfte med laborationen Att unders¨oka en v¨armepumps konstruktion, funktion och v¨ armefaktor. I detta ingick att ta reda p˚ a f¨oljande: • V¨armefaktorn f¨or Carnotprocessen , som baseras p˚ a tv˚ a v¨ arden, kondensationstemperatur och f¨or˚ angningstemperatur. Carnot-v¨ armefaktorn definieras som: T1 Φc = T1 − T2 d¨ar T1 ¨ar kondensationstemperaturen och T2 ¨ ar f¨ or˚ angningstemperaturen. • V¨armefaktorn f¨or en v¨armepump, som definieras: Φ=
Q2 + W W
d¨ar Q2 ¨ar upptaget v¨arme och W ¨ ar tillf¨ ort arbete. • V¨armefaktorn f¨or att erh˚ alla varmvatten, som definieras: Φv =
Q1 W
d¨ar Q1 ¨ar avgivet v¨arme. • Verkningsgrad f¨or v¨armepumpen. Denna kan ber¨ aknas antingen genom multiplikation av verkningsgraderna f¨ or de i v¨ armepumpen ing˚ aende delarna, s˚ asom drivmotor (≈0,70-0,80), remdrivning (≈0,98), kompressor (≈0,70-0,80) och k¨oldmediet (≈0,80), eller genom formeln: η=
Φ Φc
• Verkningsgraden f¨or att erh˚ alla varmvatten ber¨ aknas med formeln: ηv =
Φv Φc
V¨ armepumpens funktion N¨ar freongasen n˚ ar kompressonrn ¨ okar gasens energiinneh˚ all till f¨ oljd av att kompressorn utr¨attar ett arbete p˚ a gasen. Gasens tryck och temperatur stiger. Till kondensorn kommer freon i b˚ ade v¨ atske- och gasfas. Vattenledningsvattnet leds genom r¨or i kondensorn. Vattnet v¨ arms upp, eftersom det har l¨ agre temperatur ¨an freonet, och freonet kondenseras. N¨ar sedan det kondenserade freonet n˚ ar den termiska expansionsventilen, s˚ a s¨anks freonets temperatur och tryck. En del av energi som frig¨ ors vid temperaturs¨ankningen g¨or atten del av freonet f¨ or˚ angas. Fr˚ an den termiska expansionsventilen g˚ ar v¨atska-gasblandningen av freonet till f¨ or˚ angaren. Gasen g˚ ar direkt till kompressorn, och v¨atskan f¨ or˚ angas av den vatten-glykolblandning som leds genom r¨or i f¨or˚ angaren. S˚ a p˚ ab¨ orjas processen p˚ a nytt.
1
Utfo ¨rande Vi startade upp v¨armepumpen och l¨ at den g˚ a i cirka en kvart, f¨ or att systemet skulle stabilisera sig. D¨ arefter m¨ atte vi kondensationstemperatur och f¨or˚ angningstemperatur och motsvarande tryck med hj¨ alp av manometrar placerade b˚ ade f¨ore och efter kondensorn respektive f¨ or˚ angaren. Vi m¨ atte ocks˚ a temperaturen p˚ a tillf¨ort och avgivet vatten, gasens temperatur innan och efter kompression samt temperaturen p˚ a vatten-glykolblandningen innan och efter f¨or˚ angaren. M¨atpunkt Vattenledningsvatten in Varmvatten ut Gas f¨ore kompression Gas efter kompression Vatten/Glykol till f¨or˚ angaren Vatten/Glykol fr˚ an f¨or˚ angaren Kondensationstemperatur innan kondensorn Kondensationstemperatur efter kondensorn F¨or˚ angningstemperatur innan f¨ or˚ angaren F¨or˚ angningstemperatur efter f¨ or˚ angaren Tryck Tryck Tryck Tryck
innan kondensorn efter kondensorn innan f¨or˚ angaren efter f¨or˚ angaren
Temperatur/ ◦ C 14 37 2 87 30 25 40,5 39 -7,5 -7 Tryck /bar 14,8 14,5 2,95 3,05
Det tillf¨orda arbetet W vid kompressionen och det upptagna v¨ armet Q2 m¨attes med hj¨alp av hush˚ allsenergim¨ atare, d¨ ar en skiva roterar 120 varv per kWh. F¨or att ta reda p˚ a det avgivna v¨ armet Q1 anv¨ ande vi en 10 liters hink, som vi l¨ at fylla med det avgivna varmvattnet. Vi m¨ atte tiden det tog att fylla hinken och givet vattens v¨armekapacitivitet Cv = 4, 18 J/g · K kunde vi r¨ akna ut den avgivna energin.
Resultat Kondensationstemperaturen f˚ ar man om man anv¨ ander sig av medelv¨ ardet av de uppm¨atta temperaturerna innan och efter kondensorn T1 =
T1f − T1e 40, 5 + 39 =( + 273, 15) K = 312, 9 K 2 2
P˚ a samma s¨att f˚ ar man f¨or˚ angningstemperaturen T2 =
T2f + T2e −7, 5 − 7 =( + 273, 15 K = 265, 9 K 2 2
Med hj¨alp av detta kunde vi r¨ akna ut Carnot-v¨ armefaktorn Φc =
T1 = 6, 657 T1 − T2 2
Det upptagna v¨armet Q2 m¨attes med energim¨ ataren kopplad till elpatronen. 120 varv p˚ a energim¨atarens roterande skiva motsvarar 1 kWh. Detta ger oss att 1 ett varv motsvarar 120 kWh = 30 kJ. Vi m¨atte den tid det tog skivan att rotera 20 varv. Det tog 336 s ⇒ ett varv 1 tar 16,8 s. Frekvensen a¨r d˚ a 16,8 varv/s = 0, 0595 varv/s. Energin upptagen p˚ a en sekund ¨ ar d˚ a: Q2 = 30 · 103 · 0, 0595 J = 1, 786 kJ Det tillf¨orda arbetet W m¨attes med hj¨ alp av energim¨ ataren kopplad till kompressorn. I det h¨ar fallet tog skivan 531 s p˚ a sig att rotera 20 varv ⇒ ett varv 1 varv/s = 0, 0377 varv/s. tar 26,55 s. Frekvensen ¨ar d˚ a 26,55 Det tillf¨orda arbetet p˚ a en sekund ¨ ar d˚ a: W = 30 · 103 · 0, 0377 J = 1, 130 kJ Den totala v¨armefaktorn ¨ar allts˚ aΦ=
Q2 +W W
3
=
1,786·103 +1,130·103 1,130·103
= 2, 581
