Rozdział X - Magazynowanie energii, pompy ciepła

TECHNICAL UNIVERSITYOF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERINGLABORATORY

ROZDZIAŁ XROZDZIAŁ X

Magazynowanie energii.

Pompy ciepła.



ROZDZIAŁ XMagazynowanie energii. Pompy ciepła.


W czasie pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych pojawia się problem jej efektywnego wykorzystania. Zapotrzebowanie na energię nie zawsze jest takie samo. Zmienia się ono tak w ciągu doby jak i sezonowo i jest odwrotne do podaży. Najczęściej wtedy, gdy potrzeba jej w dużej ilości, to możliwości jej wytworzenia są minimalne lub żadne. Aby zlikwidować skutki tej nieprawidłowej, aczkolwiek naturalnej podaży energii przy której jej nadmiar występuje wtedy, gdy zapotrzebowanie na nią jest małe, nieodzowne jest magazynowanie energii. Sposób magazynowania energii musi być dostosowany do sposobu jej pozyskiwania i potrzeb odbiorcy.

Energia może być magazynowana w różnych formach. Największe zainteresowanie związane jest z magazynowaniem energii cieplnej, elektrycznej i mechanicznej.

„NIEKONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII” Praca zbiorowa pod redakcją Józefa Szlachty Wrocław 1999 r.





W energetyce na skalę techniczną opanowane jest magazynowanie ciepła. W rocznym cyklu pracy systemu można wyróżnić dwie zasadnicze fazy:

Magazynowanie energii. Ciepło uzyskane z kolektorów słonecznych jest magazynowane bezpośrednio w akumulatorze gruntowym. Taki przypadek jest możliwy wówczas gdy akumulator gruntowy jest rozładowany, gdy temperatura medium zasilającego jest wyższa od temperatury medium na powrocie, itp.

Odzyskiwanie energii. Ciepło z akumulatora jest przekazywane do systemu grzewczego za pośrednictwem pompy ciepła. Jest to normalny stan pracy systemu z gruntowym akumulatorem.

„ Metody magazynowania energii elektrycznej i jej możliwości zastosowań w procesach konwersji odnawialnych źródeł energii” A. J. Siwek Kraków 2000





Potrzeba magazynowania energii elektrycznej wynika głównie z następujących powodów, m. in. z:

różnorodności form wytwarzania energii elektrycznej,konieczności zachowania równowagi między wytworzoną energią elektryczną, a jej zużyciem,zmienności zapotrzebowania w czasie,okresowości dostarczania energii ze źródeł niekonwencjonalnych,różnorodności form energii zapotrzebowanej przez odbiorców i brak dostępu do innych źródeł energii,potrzeby koncentracji energii w danym miejscu i czasie,wymaganej wysokiej sprawności przetwarzania energii,konieczności ochrony środowiska naturalnego,względów ekonomicznych.






Dobry układ magazynujący energię powinien charakteryzować się następującymi cechami:

dużą gęstością energii,wysoką pojemnością właściwą,łatwością ładowania i rozładowania oraz dużą liczbą ich cykli,wysoką wydajnością energetyczną cykli,możliwością prostej konwersji energii na inną postać i wysoką ich sprawność,wymaganą temperaturą w jakiej dany układ magazynujący energię może funkcjonować,wymaganym czasem magazynowania oraz czasem przekazania energii użytkownikowi,powinien także uzyskiwać wymaganą efektywność ekonomiczną i nie stwarzać zagrożenia dla

środowiska naturalnego.






Podział metod (sposobów) magazynowania energii według następujących kryteriów:

Podział ze względu na zastosowaną konwersję nośników energii:magazynowanie bezpośrednie – obejmuje akumulowanie produktu finalnego, względnie energia jest

magazynowana w źródle z procesem bezpośredniej przemiany, np.: w elektrochemicznym źródle energii,magazynowanie pośrednie – obejmuje akumulowanie nośnika energii, z którego na drodze przemian w

układzie magazynującym uzyskujemy energię.Podział ze względu na krotność cykli ładowania:

magazynowanie jednorazowe – akumulowanie energii tylko w jednym cyklu ładowania. Przedstawicielami tego typu magazynowania są ogniwa galwaniczne pierwotne;

magazynowanie cykliczne – magazynowanie z wielokrotnym ładowaniem; ilość cykli magazynowania może być od kilku do kilkunastu tysięcy.

Podział ze względu na czasookres magazynowania (przedział czasu pomiędzy fazą ładowania, a fazą poboru do użytkowania):

magazynowanie krótkookresowe – obejmuje magazynowanie chwilowe w zakresie sekund do kilku minut, okresowe minutowe od kilku do 60 minut oraz okresowe dzienne od 1 do 24h.

magazynowanie średniookresowe – obejmuje magazynowanie od 1 do 30 dni.magazynowanie długookresowe – obejmuje magazynowanie sezonowe od 1 do 6 miesięcy oraz długie od ½

roku do kilku lat.






Podział następujących typów akumulatorów (magazynów) energii ze względu na rodzaj stosowanych technologii magazynowania, znanych i będących przedmiotem badań:Akumulatory mechaniczne – mogą służyć do pośredniego magazynowania energii, należą do nich:

układy hydropompowni,akumulatory sprężanego powietrza,akumulatory energii kinetycznej,

Elektrochemiczne źródła prądu – można je zaliczyć do grupy bezpośredniego magazynowania (z konwersjąbezpośrednią) energii elektrycznej, należą do nich:

ogniwa galwaniczne pierwotne (jednorazowego użytku),ogniwa galwaniczne wtórne, potocznie nazywane akumulatorami,ogniwa galwaniczne paliwowe,

Akumulatory elektryczne – należą do bezpośredniego magazynowania energii eklektycznej w postaci nie zmienionej, zaliczyć tu można:

układy cewki nadprzewodzącej,kondensatory elektryczne,sieć systemu elektroenergetycznego,

Układy cieplno – chemiczne – w których skład wchodzą urządzenia wykorzystywane do wielostopniowych przemian na energię elektryczną, zaliczyć tu można:

zbiorniki ciepła,wytwornicę pary słonecznej elektrowni cieplnej,układ elektrolizera wody,zbiorniki paliw gazowych i ciekłych.






Jest to bardzo ekonomiczna forma magazynowania ciepła szczególnie pozyskiwanego z kolektorów słonecznych. Najprostszy układ ładowania i rozładowywania akumulatora składa się z dwóch lub trzech studni (rys.)

MAGAZYNOWANIE W WARSTWIE WODONOŚNEJ

Schemat zasobnika w warstwie wodonośnej z pionowym frontem termicznym: a – zima, b – lato, c – rozmieszczenie otworów na powierzchni

W okresie letnim gorąca woda wtłaczana jest przez jedną ze studni do warstwy wodonośnej. Przez otwór drugi natomiast zimna woda z warstwy kierowana jest do kolektora celem ponownego ogrzania. W okresie ogrzewczym przepływ wody jest odwrotny. Ciepło magazynowane jest tak w wodzie jak i otaczającym je gruncie. Ze względów ekonomicznych jak i z uwagi na „ucieczkę” ciepła do otoczenia temperatura wody nie powinna byćwyższa niż około 40 – 45oC. W przypadku gdy wymagana jest wyższa temperatura wody, w odbiorniku stosuje się pompę cieplną.






Przy magazynowaniu wody w temperaturze wyższej korzystne jest, aby rezerwuar ciepła znajdował się dostatecznie głęboko i był zabezpieczony przed ucieczką ciepła w kierunku powierzchni ziemi dostateczną i naturalną izolacyjnąwarstwą ziemi. Z tego względu, że przy wyższych temperaturach mogą się wytrącać z wody związki chemiczne oraz intensywniej następuje mieszanie się wody ogrzanej z nie ogrzaną (pionowy front termiczny), korzystniej jest zastosować rozwiązanie przedstawione na rysunku.

Schemat zasobnika w warstwie wodonośnej z poziomym frontem termicznym






MAGAZYNOWANIE W PODŁOŻU SKALNYM

Magazyny skalne to duże masy skał podziemnych, w których znajdują się wydrążone najczęściej w sposób naturalny jaskinie, groty, szyby lub też wykonane przez człowieka pionowe, lub pod pewnym kątem otwory. Skały charakteryzują się dużą pojemnością i przewodnością cieplną, są wiec dobrym magazynem ciepła.

Najczęściej spotykaną formą magazynów skalnych sąskupiska dużej liczby wierconych w skałach i rozmieszczonych regularnie otworów. Ich średnica wynosi zazwyczaj 70 – 150 mm, głębokości 40 – 150 m. Bezpośrednio po wywierceniu umieszcza się w nich plastikowe rury, przez które przepuszczana jest gorąca woda z kolektora słonecznego lub z innego źródła ciepła np. woda odpadowa z przemysłu.

Schemat rozwiązań cyrkulacji wody w odwiertach

Otwory rozmieszczone są pionowo lub też pod pewnym kątem do powierzchni ziemi, co przy tej samej głębokości zapewnia większą powierzchnię wymiany ciepła.

Schemat magazynu skalnego zasilanego otworami: a –pionowymi, b - skośnymi






Oprócz metody magazynowania ciepła bezpośrednio w skale można również akumulować je w wodzie, która wypełnia w sposób naturalny lub sztuczny skalne zbiorniki podziemne.

Komora wypełniona gorącą wodą zachowuje się jak akumulator warstwowy, w którym na skutek różnicy w gęstości woda zimna zajmuje warstwy dolne, a gorąca górne. Praktycznie w zasobnikach można przechowywać wodę o temperaturze w zakresie 40 –100oC. Przy temperaturach wyższych w zbiornikach musi być utrzymywane nadciśnienie. Tego typu instalacje buduje się w Szwecji. W jednej z nich w miejscowości Avesta w jaskini o pojemności 15 000 m3

i znajdującej się na głębokości 25 m pod powierzchniąziemi uzyskuje się średnioroczną moc 11 MW i temperaturę wody około 90oC. Schemat naturalnego zasobnika skalnego

wypełnionego ciepłą wodą (zima)Przy dłuższym okresie magazynowania – warstwy mieszają się ze sobą i temperatura uśrednia się. Jednym ze sposobów zaradzenia temu jest dobór jaskiń o odpowiednim kształcie. Powinny być one wąskie i wysokie, tak aby powierzchnia styku poszczególnych warstw była jak najmniejsza.

Przy pobieraniu wody z magazynów skalnych musi być ona kierowana do wymiennika przeponowego, aby nie zanieczyszczać instalacji ogrzewczych osadami wypłukanymi ze ścian skalnych.






MAGAZYNOWANIE W GRUNCIE

Magazynowanie ciepła w gruncie podobne jest do magazynowania ciepła w skałach. Grunt pełni dwojaką rolę: magazynu i izolatora. Obszar podgrzewany jest magazynem, natomiast obszar otaczający go pełni rolę ośrodka izolującego. Badania wykazują, że ciepło bardzo wolno rozchodzi się poza miejsce, do którego zostało doprowadzone.

Największe straty ciepła są na granicy powierzchnia gruntu –powietrze, dlatego też obszar ten powinien być przykryty dodatkową warstwą izolacyjną(styropian, wełna mineralna, ziemia). W porównaniu do magazynów skalnych ten system jest obciążony znacznie niższymi kosztami inwestycyjnymi ze względu na łatwość wykonywania otworów w gruncie.

Rozkład izoterm w gruntowym magazynie ciepła







Schemat magazynu gruntowego: a – otwarty, b – zamknięty

Magazyny gruntowe mogą występować w dwóch odmianach: w postaci tzw. systemów otwartych i zamkniętych.Najbardziej rozpowszechnione są systemy otwarte, w których procesy wymiany ciepła zachodzą w całej masie gruntu. Ciepło dostarczane jest do niego najczęściej za pośrednictwem wody, która przepływa przez system plastikowych rur znajdujących się w otworach wydrążonych w gruncie. Rury rozmieszczone są tak, ze tworzą siatkę kwadratową o boku 2 – 4 m.

W magazynach wydzielonych zespół otworów (wymienników) otoczony jest izolacją termiczną, którą może być obudowa w formie zbiornika lub tylko płyta. Wykonana jest ona najczęściej z betonu. Przy magazynach gruntowych nieodzowne jest stosowanie w celach ogrzewczych pompy ciepła.

Schemat rozprowadzania ciepła w wymienniku gruntowym





MAGAZYNOWANIE W STAWACH SŁONECZNYCH

W naturalnym stawie czy też jeziorze o ciemnym lub czarnym dnie promieniowanie słoneczne przenikając przez wodęjest absorbowane przez ciemną powierzchnię i ją ogrzewa. Na powierzchni następuje wymiana ciepła z atmosferą i ciepło jest tracone.Inaczej sytuacja wygląda w przypadku zbiorników z solanką tzw. stawami słonecznymi, w których stężenie roztworu soli rośnie wraz z głębokością stawu. Występujący gradient gęstości powoduje zatrzymanie procesu konwekcji swobodnej ciepła, w wyniku czego temperatura solanki w dolnych partiach stawu rośnie i jest tym wyższa im bliżej dna.

Typowy staw słoneczny składa się z trzech warstw. Pierwsza najbliższa dna to tzw. strefa magazynowania. W strefie tej temperatura płynu jest najwyższa i praktycznie stała. Warstwa środkowa pełni rolę izolacji w której konwekcja jest tłumiona. Warstwa trzecia jest obszarem o najniższej gęstości i najniższej temperaturze zbliżonej do temperatury otaczającego powietrza, przez warstwę tą następuje wymiana ciepła z otoczeniem.

Schemat stawu słonecznego

Pobieranie ciepła ze strefy magazynowej może być realizowane poprzez umieszczenie wymiennika ciepła w postaci szeregu równoległych rurek na dnie zbiornika lub poprzez wymiennik znajdujący się poza zbiornikiem. W celu zwiększenia efektywności instalacji w układzie umieszcza się pompę ciepła.






NOWE TECHNOLOGIE MAGAZYNOWANIA ENERGII

Ogniwa paliwowe – najprostsze ogniwo paliwowe zasilane wodorem i tlenem działa w sposób odwrotny do elektrochemicznej reakcji elektrolizy wody. Wstawiając pomiędzy elektrolizerem wody, a ogniwem paliwowym zbiorniki na wodór i tlen uzyskujemy układ magazynowania energii w postaci wodoru. Zasilając elektrolizer energią elektryczną, czy ciepłem, pochodzącym z konwersji OZE uzyskujemy bardzo dobry magazyn pośredni energii elektrycznej.

Technologie krótkookresowego magazynowania energii – można do tej grupy zaliczyć akumulatory energii kinetycznej tzw. koła zamachowe. Magazynowanie energii kinetycznej dokonuje się w zasobnikach energii z kołami zamachowymi, które służą do zamiany energii elektrycznej na mechaniczną i odwrotnie poprzez zamianęprędkości wirowania. Współczesne koła zamachowe są wirującą masą w kształcie tarczy czy walca, składającąsię ze współosiowych pierścieni wykonanych z włókien szklanych i węglowych. Mają średnicę 0,3÷0,4 m i wirują w komorach próżniowych z prędkością 50 000do100 000 obr/min unosząc się na łożyskach magnetycznych. Wewnątrz wirującego cylindra umieszczony jest silnik (generator).

Najkorzystniejsze zastosowanie kół zamachowych w energetyce źródeł odnawialnych występuje w elektrowniach wiatrowych, wyrównując nierówny bieg turbin spowodowanych bardzo dużą zmiennościąprędkości wiatru i zmiennością jego kierunku.






OBECNE ZASTOSOWANIA METOD MAGAZYNOWANIA ENERGII

W elektroenergetyce od lat pracują na wielkoprzemysłową skalę elektrownie z magazynowaniem energii wody w zbiornikach. Zmagazynowana energia potencjalna wody jest przemieniana w hydroelektrowni na energię elektryczną. Woda pod ciśnieniem jest stosowanym od dawna sposobem magazynowania energii,który ma wiele zalet:

Woda jest nośnikiem energii nieszkodliwym dla środowiska;Miejsca lokalizacji zbiorników nie są ograniczone;Woda ma wysoką pojemność cieplną, niski koszt, nie wymaga dużej powierzchni na magazynowanie i może służyć zarówno jako nośnik energii umożliwiający jej magazynowanie, jak i będący w obiegu w instalacji bez dodatkowych wymienników ciepła;Odzysk zmagazynowanej energii może sięgnąć 75 – 90 %;System może dostosować się do nagłych zmian obciążenia.

W ostatnim ćwierćwieczu udanie zastosowano akumulatory sprężonego powietrza, polegające na sprężaniu powietrza w podziemnych zbiornikach, z których energia potencjalna gazu ulega konwersji w zespole turbina – generator na energię elektryczną.






OBECNE ZASTOSOWANIA METOD MAGAZYNOWANIA ENERGII

Oprócz wymienionych sposobów magazynowania energii w elektroenergetyce, powszechnie i niezawodnie stosowanym źródłem pomocniczego prądu stałego są baterie akumulatorów (ogniwa wtórne), które magazynująenergię elektryczną. W bateriach akumulatorów gromadzona jest energia elektryczna w ilościach wystarczających przez dłuższy czas do zasilania obwodów pomocniczych, niezależnie od obecności napięcia w obwodach pierwotnych. Baterie są ładowane za pomocą prostowników półprzewodnikowych wyposażonych w samoczynne regulatory napięcia, co pozwala utrzymać dużą stałość napięcia w sieci pomocniczego prądu stałego.

W energetyce mogą być stosowane akumulatory kwasowo – ołowiowe i zasadowo – kadmowo - niklowe.

Stosowane do magazynowania w energetyce odnawialnych źródeł akumulatory, (ogniwa wtórne) powinny posiadaćdużą pojemność i liczbę cykli ładowania – rozładowania oraz posiadać odpowiednio długą żywotność i sprawność.

Z obecnie stosowanych sposobów magazynowania energii w konwersji odnawialnych źródeł energii można wymienić magazynowanie biopaliw, a szczególnie biogazu. Magazynowanie tego typu paliw występuje w wielostopniowych procesach przetwarzania biomasy (biogazu) na energię elektryczną, realizowanych głównie przez nową generację źródeł rozproszonych małej i średniej mocy.Stosowane do magazynowania zbiorniki o różnych konstrukcjach, wyrównują względnie łagodzą cykliczność dostaw biopaliw do układu oraz umożliwiają ciągłość wytwarzania energii elektrycznej i zabezpieczenie potrzeb szczytowego obciążenia.






POMPY CIEPŁA

Zadaniem pomp ciepła jest przenoszenie ciepła z dolnego niskotemperaturowego źródła ciepła do górnego źródła o temperaturze wyższej. Cel ten może być realizowany wymuszeniem obiegu termodynamicznego przez dostarczenie pracy do napędu sprężarki (pompa sprężarkowa) lub dostarczenie strumienia ciepła (pompa absorpcyjna, transformator ciepła). Do transformacji ciepła mogą być również wykorzystane inne zjawiska (np.: synteza lub rozkład substancji, zmiana faz, uwodnienie) lub efekty (termoelektryczny, termomagnetyczny, elektrodyfuzyjny, Ranque’a.

ZASADA DZIAŁANIA POMPY CIEPŁA

Działanie typowej pompy ciepła jest analogiczne do działania lodówki, a różnica polega jedynie na przeciwnym kierunku transportowania strumieni ciepła. W lodówce strumień ciepła jest transportowany z wnętrza komory lodówki, gdzie następuje ochłodzenie np.: od 20 do –4oC, na zewnątrz do pomieszczenia, które ze względu na swoją dużą pojemność cieplną ogrzewa sięnieznacznie np.: od 20 d0 21 oC. W pompie ciepła transport strumienia ciepła odbywa się w przeciwnym kierunku. Wychładza się otoczenie, np. woda, grunt, powietrze (dolne źródło ciepła), a ogrzewa wnętrze budynków i pomieszczeń (górne źródło ciepła).

„Proekologiczne źródła energii odnawialnej” Witold M. Lewandowski Warszawa 2001





ZASADA DZIAŁANIA POMPY CIEPŁA

Najpopularniejsza pompa ciepła to pompa sprężarkowa przedstawiona w uproszczeniu na rysunku. Czynnik roboczy w tej pompie ulega kompresji związanej z kondensacją oraz dekompresji podczas odparowania. Czynnik ten podczas odparowania w parowniku pobiera energię z niskotemperaturowego źródła ciepła (dolne źródło). W trakcie kondensacji w skraplaczu wydziela sięenergia wysokotemperaturowa; jest to energia przetworzona w tzw. górne źródło ciepła. Do wymuszonego obiegu konieczne jest dostarczenie pracy do sprężarki i zastosowanie zaworu rozprężnego. Sprężarka musi być napędzana silnikiem.Stosunek ilości ciepła wydzielonego w górnym źródle do nakładu pracy doprowadzonej do sprężarki nazywa sięwspółczynnikiem efektywności pompy ciepła

Czynnikami roboczymi w pompach ciepła sąchlorofluorometany, chlorofluoroetany (freony®), amoniak i inne niskoprężne gazy np. propan, butan.

.

..

.

.

L

LQ

L

Q dg +==ε

Schemat sprężarkowej pompy ciepła1 – skraplacz, 2 – zawór, 3 – sprężarka, 4 - parownik






Pompy ciepła: sprężarkowa i absorpcyjna nie są jedynymi możliwymi do zrealizowania termodynamicznymi obiegami, w których zachodzi transport ciepła z dolnego do górnego źródła.

Podział pomp ciepła:sprężarkowa z czynnikiem jednoskładnikowym,sprężarkowa z czynnikiem dwuskładnikowym,absorpcyjna,absorpcyjny transformator ciepła,resorpcyjna napędzana energią mechaniczną,resorpcyjna wykorzystująca sprężanie oparów,sprężarkowa z obiegiem gazowym,sprężarkowa z otwartym obiegiem powietrznym,chemiczny transformator ciepła,wykorzystująca efekt Ranque’a,wykorzystująca efekt elektrodyfuzji,termoelektryczna,magnetyczna.





ENERGY ENGINEERINGLABORATORY SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA

Sprężarkowa pompa ciepła w zależności od rodzaju czynnika oraz sposobu realizowania termodynamicznego obiegu, może mieć wiele modyfikacji.

Pompa z czynnikiem jednoskładnikowym

Zasada działania tej pompy ciepła jest następująca. Jednoskładnikowa para czynnika 1 sprężana jest od stanu 1 do stanu 2 i wpływa do skraplacza, gdzie kondensuje przy stałym ciśnieniu i temperaturze. Procesowi temu towarzyszy wydzielanie wysokotemperaturowego ciepła w górnym źródle ciepła. Wypływająca z kondensatora ciecz o stanie 3 po rozprężeniu w zaworze, już jako mieszanina dwufazowa (para – ciecz) 4 wpływa do parownika, gdzie w warunkach izobaryczno – izotermicznych pobiera niskotemperaturowe ciepło z dolnego źródła i przechodzi w parę 1.

Sprężarkowa pompa ciepła z czynnikiem jednoskładnikowym: a) schemat, b) termodynamiczny obieg

pompy (obieg Lindego) przedstawiony w układzie współrzędnych temperatura – entropia, gdzie K jest punktem

krytycznym czynnika






SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA

Pompa z czynnikiem dwuskładnikowym


Sprężarkowa pompa ciepła z czynnikiem dwuskładnikowym: a) schemat, b) termodynamiczny obieg pompy c) teoretyczny

obieg Lorenza

Zasada działania tej pompy ciepła jest następująca. Pary czynnika 1 po sprężeniu 2 ulegają schłodzeniu do pojawienia siępierwszych kropel, stan 2’. Kondensacja mieszaniny 2* trwa aż do zaniku ostatnich pęcherzy pary 3’. Skroplona ciecz 3 po rozprężeniu w zaworze w postaci pary i cieczy 4 wpływa do parownika, gdzie zamienia się na parę 1.





SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA

Pompa ciepła z obiegiem gazowym

Efektywność pompy ciepła z obiegiem gazowym jest znacznie mniejsza, niż z obiegiem parowym i dlatego w celu zwiększenia tej efektywności, zamiast zaworu rozprężającego, należy zastosować rozprężarkę, pracującą na jednym wale ze sprężarką.

Sprężarkowa pompa ciepła z obiegiem

gazowym: a) schemat, b) teoretyczny obieg termodynamiczny






SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁASprężarkowa pompa ciepła z otwartym obiegiem powietrza

Zasada działania sprężarkowej pompy z otwartym obiegiem powietrza jest podobna do działania pompy z obiegiem zamkniętym. Instalacja ta może być stosowana wówczas, gdy dysponujemy powietrzem (dolne źródło) o temperaturze różniącej się tylko o kilka stopni od temperatury źródła górnego.

Pompa ciepła z obiegiem otwartym; a)

schemat pompy, b) obieg termodynamiczny






ABSORPCYJNE POMPY CIEPŁA

W przeciwieństwie do pomp sprężarkowych w pompach absorpcyjnych kompresja czynnika

odbywa się termicznie. W układzie przepływają dwa czynniki nisko – i wysokoprężny (np.

amoniak – woda). Desorber jest dolnym, a absorber górnym źródłem ciepła.Pary amoniaku z

desorbera przepływają do kondensatora (skraplacza), gdzie ulegają skropleniu oddając ciepło

(drugie górne źródło ciepła). Skroplony amoniak z kondensatora przepływa do parownika (drugie

dolne źródło ciepła), gdzie pobiera ciepło, odparowuje i płynie do absorbera. W absorberze

zachodzi reakcja egzotermiczna par amoniaku z wodą, w wyniku której wydziela się ciepło. Cykl

zamyka przepływ wody amoniakalnej do desorbera, w którym pobrane ciepło z dolnego źródła

rozkłada wodę amoniakalną na amoniak i wodę.





ENERGY ENGINEERINGLABORATORY ABSORPCYJNE POMPY CIEPŁA

W desorberze roztwór 6 dopływający z wymiennika tworzy dwufazową i dwuskładnikowąmieszaninę 6’, z której wydziela siępara czynnika 7. Para ta wpływa do skraplacza, gdzie ulega schłodzeniu do stanu 2, a następnie kondensacji 3. Ciekły czynnik po rozprężeniu w zaworze w postaci jednoskładnikowej mieszaniny dwufazowej 4 wpływa do parownika i odparowuje, aby w stanie pary 1 powrócić do absorbera.

Para czynnika 1, wpływa do absorbera, gdzie miesza się z parami sorbenta, z którymi tworzy dwufazową i dwuskładnikową mieszaninę 5’. Z mieszaniny tej kondensuje sorbent i rozpoczyna się proces absorpcji gazowego czynnika. Ciekła mieszanina 5 (roztwór bogaty) jest przetłaczany pompą przez wymiennik do desorbera, który stanowi górne źródło silnika cieplnego.

Schemat pompy absorpcyjnej






ABSORPCYJNE POMPY CIEPŁAAbsorpcyjny transformator ciepła

Para czynnika 1 wpływa z desorbera (dolne źródło obiegu właściwego transformatora ciepła) i ulega schłodzeniu 5, a następnie kondensacji 6 w skraplaczu, który stanowi górne źródło silnika cieplnego. Następnie kondensat jest przetłaczany do parownika (dolne źródło silnika cieplnego), gdzie ogrzewa się do stanu 7, a następnie odparowuje 8. Para wpływa do absorbera, który jest górnym źródłem właściwego obiegu transformatora, gdzie z sorbentem tworzy dwufazową i dwuskładnikową mieszaninę 2’. W absorberze następuje absorpcja i wzbogacenie roztworu. ‘Bogaty”roztwór 3 przez wymiennik i zawór rozprężny wpływa do desorbera 4. W desorberze tworzy się roztwór dwufazowy i dwuskładnikowy 4’, z którego wydzielają się pary czynnika 1 wpływające do skraplacza. Roztwór „ubogi” 2 jest tłoczony pompą mechaniczną do absorbera.


Schemat absorpcyjnego transformatora ciepła






Resorpcyjna pompa ciepła ze sprężarką mechaniczną

Zasada działania tej pompy jest podobna do sprężarkowej pompy ciepła, a różnica polega na tym, że zamiast parowania i kondensacji czynnik zmienia stan skupienia na drodze desorpcji i resorpcji, Para czynnika 1 jest sprężana 2 i wpływa do absorbera, gdzie przy podwyższonym ciśnieniu zachodzi resorpcja w roztworze „ubogim” 3’. Roztwór „bogaty” 3 przez wymiennik i zawór rozprężny wpływa do desorbera 4, gdzie jako dwuskładnikowa i dwufazowa mieszanina czynnika roboczego i sorbentu 4’ ulega rozdziałowi na sorbent 5, pompowany do absorbera, i pary czynnika 1. Współczynnik efektywności tej pompy jest wyższy niż sprężarkowej, gdyż procesy desorpcji i resorpcji, w przeciwieństwie do kondensacji i wrzenia, nie zachodzą izotermicznie.

Sprężarkowa resorpcyjna pompa ciepła







Resorpcyjna pompa ciepła ze sprężaniem sorpcyjnym czynnika

Jest to zmodyfikowana pompa resorpcyjna, w której realizowany jest właściwy obieg pompy (1,2,3,4). Jej modyfikacja polega na wykorzystaniu do sprężania par czynnika, zamiast sprężarki mechanicznej, silnika cieplnego o termodynamicznym obiegu (5,6,7,8), zastosowanego w pompie absorpcyjnej.

Resorpcyjna pompa ciepła z absorpcyjnym sprężaniem par: a) schemat ideowy, b) teoretyczny obieg pompy w

układzie (T,s)






POMPY CIEPŁA POZOSTAŁYCH TYPÓW

Pompa ciepła wykorzystująca sprężanie oparów

Realizacja pracy tej pompy ciepła sprowadza się do podniesienia entalpii oparów przez ich sprężanie. Dolnym źródłem jest wrzący roztwór, a górnym skraplające się opary, które jednocześnie podgrzewają wrzący roztwór. Czynnikiem roboczym sąopary, najczęściej para wodna, w tzw. otwartym obiegu pompy Różnica temperatur tego otwartego obiegu jest mała, ok.. 10 K, stąd duży współczynnik efektywności tych pomp. Opary mogą być sprężane mechanicznie – sprężarką lub wentylatorem, albo termicznie – silnikiem cieplnym lub strumienicą, napędzaną „żywą” parą. Pompa ciepła z parą wodną jako czynnikiem roboczym:

a) schemat, b) termodynamiczny obieg pompy w układzie (T,s), c) teoretyczny obieg w układzie (T,s)







Chemiczny transformator ciepła

W chemicznych transformatorach ciepło reakcji egzotermicznych stanowi zasilanie górnego źródła i siłę napędową, wymuszającąprzepływy masy czynników w transformatorze. Reakcje endotermiczne zachodzą w wyniku doprowadzenia ciepła do dolnego źródła. Zasada działania transformatorów jest taka sama bez względu na rodzaj reakcji egzo – i endotermicznych, jakie w nich zachodzą.

Schemat chemicznego transformatora ciepła 1 –skraplacz, 2 – kolumna rektyfikacyjna, 3 –wymiennik, 4 – reaktor egzotermiczny, 5 –

reaktor endotermiczny







Pompa ciepła wykorzystująca efekt Ranque’a

Badając cyklony zaobserwowano różnicętemperatur strumienia powietrza płynącego w osi cyklonu i przy jego ścianie. Zasada działania pompy tego typu polega na wprowadzeniu do dyszy rury sprężonego gazu – o ciśnieniu p1 i temperaturze T, punkt 1, który rozpręża sięizentropowo w otworze przesłony do ciśnienia p0. Rzeczywisty stan gazu określa punkt 2, natomiast zimnego strumienia 3. Ciepły gaz 5 wypływa zaworem, ulegając rozprężeniu i ochłodzeniu 6. Efektywność tej pompy ciepła jest niska (ε = 1,2), a dodatkową wadą jest duży hałas, który towarzyszy tej pracy.

Pompa wykorzystująca efekt Ranque’a: a) schemat ideowy, b) obieg termodynamiczny pompy w układzie

(T,s)







Elektrodyfuzyjne pompy ciepła

Elektrodyfuzja zachodzi w specjalnym porowatym materiale przewodzącym prąd elektryczny. Pary sodu 1 z parownika są adsorbowane przez porowatą anodę, pokrytą żaroodpornym elektrolitem. Jony sodu migrują i po rekombinacji mają wyższy potencjał elektrochemiczny (wyższe ciśnienie i temperaturę) 2. Pary sodu kondensują w skraplaczu 3, następnie ciekły sód jest rozprężany w zaworze 4 i wpływa do parownika. Pompa ta musi pracować w znacznie wyższych temperaturach niż inne pompy ciepła. Efektywność tej pompy wynosi ε = 6,51.

Elektrodyfuzyjna pompa ciepła: a) schemat, b)

obieg termodynamiczny pompy w układzie (T,s)





ENERGY ENGINEERINGLABORATORY POMPY CIEPŁA POZOSTAŁYCH TYPÓW

Na skuteczność termoelektrycznej pompy ciepła wpływają trzy efekty: Seebecka (zależność między siłą termoelektryczną, a różnicą temperatur);Peltiera, odwrotny efekt do Seebecka (pochłanianie na zimnej i wydzielanie na ciepłej spoinie strumienia ciepła w wyniku przepływu prądu);Thompsona (generowanie ciepła w obwodzie w wyniku różnicy temperatur).

Termoelektryczne pompy ciepła

Magnetyczne pompy ciepłaWraz z magnesowaniem i rozmagnesowaniem materiału zmiana własności z ferro- na paramagnetyczne powoduje zmianę temperatury. NASA zbudowała pompę z zastosowaniem pierwiastka gadolinu (Gd). Zmiana entropii gadolinu dla dwóch wartości natężenia pola (B=7,=0) pozwala zbudowaćobieg Carnota pompy ciepła. W celu zwiększenia różnicy temperatur między dolnym i górnym źródłem, z kilku do kilkudziesięciu kalwinów, NASA zrealizowała pompę z obiegiem Ericssona. Gadolin w postaci pakietu siatek, umieszczony w rurze z płynem, jest izotermicznie magnesowany (AB) w górnym źródle, następnie przemieszcza się w rurze ku dołowi oddając ciepło płynowi (BC). W dolnym skrajnym położeniu następuje wyłączenie magnesu (CD) i pobieranie ciepła (dolne źródło). Pojemnik przemieszcza się ku górze zamykając obieg. Obiegi zgodnie z którymi zachodzą przemiany termodynamiczne w

magnetycznej pompie ciepła: a) teoretyczny Carnota, b) rzeczywisty Ericssona






POMPY CIEPŁA - PODSUMOWANIE

Pompy ciepła mają istotny wpływ stymulujący rozwój i stosowanie niekonwencjonalnych źródełenergii odnawialnych. Pozwalają nie tylko wykorzystać energię z niskotemperaturowych źródełciepła, ale również zagospodarować wszystkie odpadowe źródła ciepła.Wykorzystanie darmowej energii, np. słonecznej, geotermalnej i odpadowej, oprócz względów czysto ekonomicznych, ma także istotny wpływ na ograniczenie emisji produktów spalania do środowiska naturalnego i tym samym przyczynia się do jego ochrony.Pompy ciepła mają też swoje wady, np. wysoką cenę, która bez preferencyjnych kredytów stanowi istotną barierę w ich stosowaniu. Wadą jest również konieczność wprowadzania dodatkowych systemów zabezpieczających, ponieważ istnieje niebezpieczeństwo skażenia środowiska naturalnego freonami, w przypadku pomp sprężarkowych, lub czynnikami stosowanymi w pompach absorpcyjnych (NH3, H2SO4, BrLi, CH3OH itp. ).


Documents

Rozdział X - Magazynowanie energii, pompy ciepła