01-Specificnosti Toplotnih Pumpi_at1

5/10/2018 01-Specificnosti Toplotnih Pumpi_at1 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/01-specificnosti-toplotnih-pumpiat1 1/6

1

Toplotne pumpe

Katedra za termotehniku

Prof. Dr Franc Kosi, dipl. maš. ing., [email protected]

, kabinet 134/3

LITERATURA:

Markoski M.: Rashladni ureaji , Mašinski fakultet, Beograd, 2006.

Lekcija AT-1

1. SPECIFIČNOSTI TOPLOTNIH PUMPI

1.1. Sistematizacija levokretnih mašina

Sve toplotne mašine koje rade po nekom levokretnom ciklusu odvode toplotu (rashladni

učinak H Φ ΦΦ Φ ) od izvora niže temperature ( H T ) i predaju toplotu (grejni učinak GΦ ΦΦ Φ ) ponoru više

temperature ( G H T T >>>> ).

Ako je pri tome ponor okolina ( G ok T T ==== ), njoj se predaje termodinamički bezvredna toplota,

pa po rashladnom učinku H Φ ΦΦ Φ , koji je jedino koristan (jer povećava eksergiju izvora), mašina se

naziva rashladnom mašinom, a izvor hlaenim objektom.

Analogno tome, ako je izvor okolina ( H ok T T ==== ), od nje se uzima termodinamički bezvredna

toplota, koristan je grejni učinak GΦ ΦΦ Φ (jer povećava eksergiju ponora) i mašina se po njemu naziva

toplotnom pumpom, a ponor grejanim objektom.

Na sl. 1.1a i 1.1b prikazani su u T s−−−− dijagramu levokretni Carnot ciklusi rashladne

mašine i toplotne pumpe izmeu izotermskih izvora i ponora.

Meutim, ako ni izvor ni ponor nisu na temperaturi okoline, a pogotovu u slučajevima kadasu korisni i rashladni i grejni učinak, onda se mašina teško može nazvati bilo rashladnom mašinom

bilo toplotnom pumpom; zato je, u slučaju kada je G ok T T ≠≠≠≠ i H ok T T ≠≠≠≠ , najprikladnije takvu mašinu

nazvati termotransformatorom.

Na sl. 1.2a prikazan je slučaj kada je H ok T T <<<< , a G ok T T >>>> , tj. kada su korisni i rashladni i

grejni učinak (tzv. kogenerativni termotransformator ); na sl. 1.2b prikazan slučaj kada je H ok T T >>>> i

G ok T T >>>> i tada je koristan samo grejni učinak, pa je takav termotransformator ipak neka vrsta

toplotne pumpe (tzv. grejni termotransformator ), dok se u slučaju na sl. 1.2c, kada je i H ok T T <<<< i

G ok T T <<<< , radi o termotransformatoru koji je neka vrsta rashladne mašine (rashladni termotransformator ), jer je koristan samo rahladni učinak.

Analogija sa električnim transformatorima je suštinski nepotpuna, jer, u principu , grejniučinak mora biti veći od rashladnog učinka za rad koji se (prema II Zakonu termodinamike)morautrošiti za pogon mašine, dok kod električnih transformatora ne postojeprincipijelna ograničenja(analogna II Zakonu termodinamike) zbog kojih energija predata na sekundaru ne bi smela bit

jednaka energiji dovedenoj na primaru. Sa tog stanovišta, ispravnije je upotrebiti termintransformatori eksergije jer II Zakon termodinamike dopušta da kod povratnih ciklusa očuvanaeksergija bude jednaka dovedenoj.



2

a) b)

T ok T G=T ok

T H <T

ok

T

s

T ok

T G>T

ok

T H =T ok

T

s

Sl. 1.1 Uz definicije rashladne mašine i toplotne pumpe:

a) rashladna mašina; b) toplotna pumpa

b)

a) b) c)

T

s

T ok

T G>T

ok

T H <T

ok

T

s

T ok

T G>T

ok

T H >T

ok

s

T

T ok

T G<T

ok

T H <T

ok

Sl. 1.2 Termotransformatori pogonjeni radom:

a) kogenerativni; b) grejni; c) rashladni

Ovde treba napomenuti da se u novijoj literaraturi često sreće termin termotransformatori,ali mu se, od autora do autora, pridaje različito značenje. Ovde se (za slučaj kada se za pogonlevokretnog ciklusa koristi rad , ne ulazeći u poreklo toga rada) upotrebljavati termini rashladnamašina (skraćeno - RM ), toplotna pumpa (TP ) ili termotransformator (TET ) kako su definisani uovom odeljku, dok se u slučaju, kada se za pogon ciklusa koristi eksergija toplote, umestotermotransformator, koristi termin toplotni transformator (TOT). Zavisno od odnosa temperatura

izvora pogonske toplote i grejanog objekta, toplotni transformatori mogu biti snižavajući ( G pT T <<<< ),

povišavajući ( G pT T >>>> ) ili mešovitog tipa ( G pT T ′′′′ <<<< ; G pT T ′′′′′′′′ >>>> ). Svaki od tih toplotnih transformatora u

suštini predstavlja, ili kombinaciju desnokretnog ciklusa, koji daje rad na račun eksergije pogonsketoplote, i levokretnog ciklusa, koji se pogoni tim radom (mehanički spregnuti TOT ), kako suprikazani na sl. 1.3, 1.4 i 1.5, ili se pak eksergija pogonske toplote neposredno koristi za pogonintegrisanog ciklusa, kakvi su na primer ejektorski ili sorpcioni ciklusi toplotnih transformatora.



3

Sl. 1.3 Snižavajući toplotni transformatori:a) sprega po Thompson-u; b) sprega po Altenkirch-u

Na sl. 1.3. su prikazani mehanički spregnuti snižavajućiTOT po Thompson-u i Altenkirch-u.Sprega po Thompson-u (sl.1.3a) podrazumeva da se celokupna eksergija pogonske toplote

iskoristi u desnokretnom ciklusu za dobijanje rada, dok se po Altenkirch-u (sl.1.3b) za donjutemperaturu desnokretnog ciklusa usvaja temperatura grejanog objekta; tada se odvedena toplotadesnokretnog ciklusa1 se predaje direktno grejanom objektu kao prva komponenta grejne toplote

GQ′′′′ , dok se druga komponenta GQ′′′′′′′′ dobija kao grejna toplota ciklusa toplotne pumpe koja uzima

toplotu iz okoline trošeći rad L dobijen u desnokretnom ciklusu.

Kada su svi njihovi sastavni ciklusi povratni, te dve sprege su termodinamički ekvivalentne,tj. obezbeuju istu grejnu toplotu po jedinici pogonske toplote. Meutim, kod realnih sastavnihciklusa, sprega po Altenkirch-u je bolja, jer su, zbog skraćenog puta i smanjenog obima konverzijeeksergije, prateći gubici eksergije manji. Zato se sprega po Altenkirch-u primenjuje uvek kada jegrejani objekat dovoljno blizu, tako da mu se ekonomično može dovesti odvedena toplota oddesnokretnog ciklusa. Tako se npr., ekspanzija u turbini termoelektrane izvodi do temperature

kondenzacije, koja je dovoljno visoka da bi se odvedena toplota desnokretnog ciklusa moglakoristiti kao grejna toplota obližnjeg potrošača toplote. Pri tome, ona često u potpunosti pokrivatoplotni konzum, tako da se ni deo dobijene električne energije ne mora koristiti za pogon toplotnihpumpi. Koliko je to “dovoljno blizu” zavisi od veličine postrojenja, odnosno toplotnog potrošača,tako da može dostići i stotinu kilometara.

1 Odvedena toplota desnokretnog ciklusa u ovom slučaju nije otpadna toplota, jer njena eksergija povećava

eksergiju grejanog objekta.



4

a) b)

M L

Q P

Q HM

TP

Q HP

QG

T G>T P

T P

T ok

L

QG

T

s

TP V

Q HN

Q HV

T P

QGN " QGN '

L

LnM

TP N

L

Ln

Lv

T GV >T P

T GN <T P

QGV

Wv

T

s

Sl. 14.4 Povišavajući i mešoviti toplotni transformatori:

a) povišavajući; b) mešoviti

Sprega po Thompson-u se primenjuje kada je grejani objekat suviše udaljen; u tom slučajuse toplotne pumpe i/ili drugi termotransformatori mogu smatrati kao deo snižavajućeg toplotnogtransformatora, čiji se desnokterni ciklus odvija u termoelektrani.

S obzirom na raspoložive levokretne cikluse, temperatura grejne toplote je relativno niska iretko može da premaši temperaturu pogonske toplote, tako da se povišavajući (sl. 1.4a) i mešovititoplotni transformatori (sl. 1.4b) retko sreću u praksi.

1.2. Kriterujumi za ocenu termodinamičkog savršenstva

1.2.1. Energetski pokazatelji

Uobičajeno je da se kvalitet rada kompresorskih toplotnih pumpi ocenjuje pomoću tzv.koeficijenta grejanja

G G H G

Q Q L1

L P L

Φ ΦΦ Φ ε ε ε ε ε ε ε ε

++++= = = = += = = = += = = = += = = = + , (1.1)

gde je ε εε ε (već poznati) koeficijent hlaenja, dok se kvalitet rada sorpcionih i ejektorskih toplotnih

pumpi ocenjuje pomoću grejnog odnosa (“toplotnog količnika”)

G GG

P P

Q

Q

Φ ΦΦ Φ ζ ζζ ζ

Φ ΦΦ Φ = == == == = , (1.2)

gdeG

Q , kJ iP

Q , kJ , odnosnoG

Φ ΦΦ Φ , kW iP

Φ ΦΦ Φ , kW predstavljaju količine grejne i pogonske toplote,

odnosno njima odgovarajuće učinke.

Slični toplotni količnici se mogu odrediti i za toplotne transformatore.

Veličine GGζ ε ε ,, , kao i ζ ζζ ζ (odgovarajući rashladni količnik kod sorpcionih i ejektorskih

rashladnih mašina) se nazivaju energetskim pokazateljima, jer predstavljaju odnos korisnogtoplotnog učinka i utrošene mehaničke ili toplotne snage za njihovo ostvarivanje; oni mogu biti odkoristi samo prilikom uporeivanja rada pojedinih ureaja pri istim karakterističnim temperaturama(izvora, ponora, odnosno izvora pogonske toplote) i mogu se kretati u širim granicama. Osim toga,



5

ε G

i ζ G

kao ni ε εε ε i ζ ζζ ζ se meusobno ne mogu uporeivati, jer se ε εε ε i Gε odreuju prema

utrošenom radu , a ζ ζζ ζ i Gζ prema utrošenoj količini pogonske toplote.

1.2.2 Eksergetski stepeni korisnosti

Energetski koeficijenti GG ζ ε ε ,, i ζ ζζ ζ se ne mogu koristiti za ocenu (vrednovanje)

termodinamičkog kvaliteta rada tih ureaja, jer zavise i od karakterističmih temperatura ciklusa.Stoga se za ocenu termodinamičkog kvaliteta rada tih ureaja koriste eksergetski stepeni korisnosti

d minex

d

E

E η ηη η ==== , (1.3)

gde je sa d E označena eksergija koja se dovodi za pogon stvarnoj mašini, a sa d minE eksergija

koja se mora dovesti povratnoj mašini koja ostvaruje isti korisni učinak pri istim karakterističnimtemperaturama izvora i ponora, tj. pri jednakoj očuvanoj eksergiji korisnog učinka. Kako je za

povratne mašine odvedena (očuvana) eksergija oE jednaka dovedenoj eksergiji d minE , tj.

d min oE E ==== , biće

oex

d

E

E η ηη η ==== . (1.4)

Pošto je za izotermski toplotni ponor očuvana eksergija

G ok o G

G

T T E Q

T

−−−−= ⋅= ⋅= ⋅= ⋅ , (1.5)

biće, za kompresorsku mašinu, za koju je dovedena eksergija jednaka utrošenom radu ( d E L==== )

G ok G

o G G Gex

Gd GC

G ok

T T Q

E T T E L

T T

ε ε ε ε ε ε ε ε η ηη η ε εε ε

−−−−⋅⋅⋅⋅

= = = == = = == = = == = = =

−−−−

, (1.6)

U jednačini (1.6) je

GG

Q

Lε εε ε ==== , (1.7)

dok je

GGC

G ok

T

T T ε εε ε ====

−−−−, (1.8)

koeficijent grejanja za povratni ciklusCarnot izmeu temperatura GT i ok T .

Za apsorpcionu toplotnu pumpu je

P ok d P

P

T T E Q

T

−−−−= ⋅= ⋅= ⋅= ⋅ , (1.9)

pa se uvrštavanjem (1.5) i (1.9) u (1.3) dobija



6

G ok

G G Gex

P ok P Gr

P

T T

Q T

T T Q

T

ζ ζζ ζ η ηη η

ζ ζζ ζ

−−−−

= ⋅ == ⋅ == ⋅ == ⋅ =−−−−

, (1.10)

jer jeG

GP

Q

Qζ ζζ ζ ==== , (1.11)

P ok GPC GC Gr

P G ok

T T T

T T T η ε ζ η ε ζ η ε ζ η ε ζ

−−−−⋅ = ⋅ =⋅ = ⋅ =⋅ = ⋅ =⋅ = ⋅ =

−−−−, (1.12)

U izrazima (1.10) do (1.12) su:

Gr ζ - grejni količnik reverzibilnog ciklusa apsorpcionog toplotnog

transformatora za temperature P GT ,T i ok T ;

PC η - termodinamički stepen korisnosti povratnog desnokretnog ciklusaCarnot sa izvorom i ponorom na temperaturama P T i ok T ,

respektivno.

Uvek je G 1ε εε ε >>>> , dok je G 1ζ ζζ ζ ≥≥≥≥ za snižavajuće, i G 1ζ ζζ ζ ≤≤≤≤ za povišavajuće toplotne

transformatore; za razliku od njih, eksergetski stepen korisnosti je uvek ex 0 1η ηη η ≤ ≤≤ ≤≤ ≤≤ ≤ i zavisi jedino

od termodinamičkog kvaliteta rada mašine. Može se pokazati da je on jednak tzv. stepenu

povratnosti ex η ϕ η ϕ η ϕ η ϕ ==== , dok se razlika 1ν ϕ ν ϕ ν ϕ ν ϕ = −= −= −= − naziva stepenom nepovratnosti. Koeficijent grejanja

Gε εε ε i grejni količnik Gζ ζζ ζ se rado koriste prilikom projektovanja, jer neposredno pokazuju koliko rada,

odnosno toplote, treba uložiti za usvojeni temperaturski režim i zadati korisni učinak. Meutim, kod

kogenerativnih termotransformatora i toplotnih transformatora mešovitog tipa, Gε εε ε i Gζ ζζ ζ su praktičnoneupotrebljivi, čak i za poreenje mašina sa istim temperaturskim režimima, jer zavise i od

dodatnih parametara kao npr. G H Q Q ili odnosa učinaka za grejani objekat niže i više temperature

(((( ))))GN GN GV Q Q Q′ ′′′ ′′′ ′′′ ′′++++ .

Za razliku od energetskih koeficijenata Gε εε ε i Gζ ζζ ζ , eksergetski stepeni korisnosti ex η ηη η su

jednoznačni pokazatelji termodinamičkog kvaliteta rada za sve vrste toplotnih mašina i veoma sukorisni tokom razvoja, kao i pri analizi mogućnosti termodinamičkih poboljšanja rada, kakopostrojenja ili mašine kao celine, tako i njihovih delova, jer se pomoću njih mogu locirati i rangirati“žarišta” gubitaka i odrediti prioriteti za njihovo otklanjanje.

Documents

01-Specificnosti Toplotnih Pumpi_at1