PROIECTAREA UNEI INSTALAŢII DE ÎNCĂLZIRE CU POMPĂ DE

CĂLDURĂ

STUDENT:Iurcut Iura GRUPA: 3344 A ANUL: IV

ANUL UNIVERSITAR 2011-2012

Borderou.

Borderou,

Tema de proiectare,

Memoriu tehnic,

Breviar de calcul,-Calculul termodinamic al pompei de caldura.-Calculul conductelor.-Calculul debitului volumic.-Dimensionarea sondelor in circuit inchis pe verticala.

Alegerea echipamentelor din componentele pompei de caldura.Alegerea pompei de calduraAnexe.

Tema de proiectare

Să se proiecteze o instalaţie de încălzire cu pompe de căldură cunoscându-se următoarele date tehnice:

Necesarul de căldură: Qk =9,7 kW

Temperatura apei calde la ieşirea din condensator: tw2k = 35 ˚C

Agentul frigorific: R407C

Tensiunea si frecvenţa curentului electric: 400V/ 50Hz

Tipul pompei de căldură: sol-apă cu sonde de căldură pe verticală

Sistemul de încălzire: încălzire prin pardoseala

Modul de concepţie al pompei de căldură: instalaţie cu o pompă de căldură

într-o treaptă de comprimare cu subrăcire regenerative.

Temperature agentului la ieşirea din vaporizator : tev = -5 ˚C

Temperatura agentului la intrarea în vaporizator : tiv = 0 ˚C

Temperatura de vaporizare = -8̊9CTemperatura de condensare= 38̊9CTemperatura de supraincalzire t1=29C

Memoriu tehnic

Instalaţia proiectată este o instalaţie de pompă de căldură într-o treaptă de comprimare.

Elemente componente:

C – compresor frigorific (cu scroll)PR – presostat de refularePA – presostat de aspirațieRR – robinet de reținereK – condensator frigorific - schimbător de căldură cu plăci brazateRL – rezervor de agent frigorific lichidFD – filtru deshidratorSCR – schimbător de căldură cu regenerare (SC cu plăci brazate)ICU – indicator de curgere și umiditateVE – ventil electromagnetic normal închisVET – ventil de expansiune thermostatic cu egalizare exterioarăTE – țeavă egalizareIT – izolație termică

Pompa de căldură este o instalație care necesită cuplarea și conlucrarea unei surse de căldură de potențial termic scăzut cu un consumator de căldură care necesită un nivel termic relativ mai ridicat numit “sursa rece” și respectiv “sursa caldă”. Compresorul (C) aspiră vaporii de agent frigorific supraîncălziți de la schimbătorul de căldură regenerative (SCR) cu presiunea P0 și temperatura t1 și îi comprimă adiabatic (s=ct) de la starea 1 până la starea 2 cu temperatura t2 și presiunea Pk refulând vaporii de agent frigorific supraîncălziți. Vaporii de agent frigorific calzi intră în condensatorul (K) unde se condensează la presiunea Pk și temperatura tk cedând fluxul de căldură Qk apei pentru încălzire. Circulația celor doi agenti termici (agent frigorific, apa ) se face în contracurent . Agentul frigorific condensat (lichid) la presiunea Pk intră în schimbătorul de căldură regenerativ (SCR) unde se subrăcește, iar apoi intră în rezervorul de lichid RL. Din RL, agentul frigorific lichid intră în filtrul dezhidrator FD. Filtrul dezhidrator FD are rolul de a reține impuritățile și urmele de apă din agentul frigorific. FD este încărcat cu o substanță absorbantă pentru apă (substanță din alumino-silicați). Agentul frigorific filtrat intră în indicatorul de curgere și umiditate ICU, acesta având rolul de a indica gradul de încărcare cu agent frigorific al instalației, precum și gradul de umiditate din circuitul frigorific. Ventilul electromagnetic VE montat pe circuitul de agent frigorific are rolul de a opri inundarea vaporizatorului cu agent frigorific lichid în timpul staționării instalației. Ventilul electromagnetic se deschide și se inchide concomitent cu pornirea și oprirea compresorului. Ventilul de reglaj termostatic VET are rolul de a facilita expansiunea (detenta) agentului frigorific de la presiunea de condensare Pk la presiunea de vaporizare Po. Agentul frigorific laminat intră în vaporizatorul pompei de caldura. În vaporizator, agentul frigorific se vaporizează preluând fluxul de căldură Qo de la sursa rece (solul). Agentul frigorific vaporizat intră în schimbătorul de căldură regenerativ (SCR) unde se supraîncălzește și apoi este aspirat de compresorul frigorific C, ciclul frigorific închizându-se. Pentru protecția compresorului C și implicit a circuitului frigorific se montează un presostat de aspiratie PA și un presostat de refulare PR. Presostatul de aspiratie PA are rolul de a opri instalatia pompei de căldură în cazul în care presiunea de aspirație coboară sub valoarea presiunii la care este reglat presostatul .Presostatul de refulare PR are rolul instalația pompei de caldură atunci când pot aparea presiuni de refulare (de condensare) mai mari decât presiunea de calcul a instalației. După cum se menționează în tema de proiectare sursa de căldură este solul. Solul având în vedere temperatura constantă, reprezintă pentru climatul temperat continental o bună sursă de caldură, datorita capacității sale de acumulare. Factorii termofizici care caracterizează din punct de vedere termic în mod pregnant solul sunt : conductivitatea termică, densitatea și căldura specifică. Densitatea și conținutul de umiditate a solului, au influențe directe și determinante privind procesele de conducție termică. În timpul iernii solul are cea mai mică umiditate, dar dimensionarea schimbătorului de caldură ce preia fluxul de

căldură nu se face în acest caz deoarece ar rezulta o suprafață de schimb de căldura mult prea mare, devenind neeconomic. În timpul funcționării pompei de caldură, adică a schimbătorului care preia fluxul de căldură din sol au loc procese de difuzie, prin care umiditatea migrează odata cu scăderea temperaturii favorizând îmbunătațirea conductibilității termice de caldură. În foraje adânci se pozează sonde din material plastic prin care circulă o soluție apoasă cu etilenglicol de sus în jos care preia căldura din sol. Încălzirea propriu-zisă se face prin intermediul condensatorului unde apa din instalația de încălzire preia energia termică de la agentul frigorific și o distribuie locuinței prin intermediul tubulaturii ventilo-convectoarelor.

Breviar de calcul

1. Calculul termodinamic al ciclului frigorific theoretic

Schema de principiu și ciclul teoretic al instalației de pompă de căldură cu subrăcire regenerativă

Instalația cuprinde : C - compresor frigorific (cu scroll)K - condensator frigorific - schimbător de căldura cu plăciSC-schimbător de caldură regenerativVR - ventil de laminareV- vaporizator frigorific - schimbător de căldura cu plăci

Principiul de funcționare

Compresorul C aspiră vaporii de agent frigorific supraîncălziți din schimbătorul de căldură regenerativ SCR, îi comprimă adiabatic (s=ct) din starea 1 cu presiunea p0 si temperatura de supraîncălzire t1, în starea 2 cu presiunea pk și temperatura de refulare t2, consumând puterea (P). Vaporii supraîncălziți cu starea 2 intră în condensatorul K unde se răcesc izobar (pk=ct) până la starea 2`, iar apoi se condensează până la starea 3, izoterm-izobar ca urmare a cedării fluxului de căldură de supraincălzire și de condensare (Qk) mediului de racire aer sau apă adică “sursa caldă”.

Agentul frigorific condensat (x=0) cu starea 3 intră în schimbătorul de căldură regenerativ SCR unde cedează un flux de caldură (QSR) agentului frigorific în stare de vapori si se subrăcește până la starea 4.

Dupa subrăcire, agentul frigorific lichid se laminează (destinde) izentalpic (i=ct), în ventilul de laminare VR până la starea 5, (i4-i5). Amestecul de lichid și vapori în cantitate mică cu starea 5 după laminare ajunge în vaporizatorul V unde se vaporizează izoterm-izobar, adică pe schimbare de faze, preluând fluxul de caldură (Q0) de la mediul răcit, adică de la sursa de caldură “sursa rece” a pompei de caldură. Vaporii de agent frigorific, saturati uscați cu starea 6 pătrund în schimbătorul de caldură regenerativ (intern) SCR unde se supraîncălzesc până la starea 1, preluând de la agentul frigorific lichid ce se subrăcește, fluxul de căldura (QSI). Compresoru(C) aspiră vaporii supraîncălziți cu starea 1, ciclul frigorific se închide, iar procesul se repetă.

Pe baza datelor inițiale, acest calcul stabilește mărimile necesare pentru dimensionarea instalației de pompă de caldură și ale echipamentelor acesteia.

Datele de calcul inițiale: Qk, în [W,kW] – sarcina termică care trebuie realizată de pompa de caldură,

care se determină prin calculul necesarului de caldură;Qk= 9,7 kW

tk= temperatura de condensare, se determină în funcție de temperatura mediului încălzit, care poate fi aerul sau apa. Aceasta se alege cu 2…39C mai mare decât temperatura mediului încălzit ce iese din condensator când acesta este apa sau cu 10…159C când acesta este aerul; tk=38̊9C

t0= temperatura de vaporizare, se determină în funcție de temperatura mediului răcit (sursa rece de căldura), care în cazul apei este cu 2…39C mai mică decât temperatura apei la ieșirea din vaporizator; t0=-8̊9C;

tsi=t1 temperatura de supraîncălzire a vaporilor la ieșirea din vaporizator. Aceasta se alege cu ecart ∆tsi=5…15K fata de temperature de vaporizare; t1=29C

agentul frigorific se alege pe considerente tehnico-economice, dar avându-se în vedere temperatura de vaporizare t0 și cea de condensare tk și dacă acest agent frigorific are eficiență în transferul regenerativ de caldură în schimbătorul SCR;

stabilirea parametrilor de stare a agentului frigorific în diagrama log p-I (t,p,I,s,v,x), în punctele caracteristice (1-6). Această stabilire se poate face cu ajutorul diagramelor termodinamice, tabelelor termodinamice ale agentului frigorific sau cu ajutorul programelor de calcul, furnizate de producători sau comercianți de agenti frigorifici;

Pct. Caract.

P[bar] t[9C] i[kJ/Kg] s[kJ/KgK] v[m3/kg]

1 3,37 2 416 1,8̊35 0,0742 14,35 62 455 1,8̊4 0,018̊3 14.35 33 251.94 - 0,907*10-3

4 14,35 29 244.62 - 0,8̊91*10-3

5 3,37 -12 244.62 - 0,0256 3,37 -8̊ 408̊.68̊ - 0,070

Marimile caracteristice procesului termodinamic:

Sarcina termică specifică (masică) de condensare: qk=i2-i3= 456-251= 203.06 [kJ/Kg]

Puterea frigorifică specifică (masică) de vaporizare:q0= i6-i5= 409-242= 164.06 [kJ/Kg]

Lucru mecanic masic de comprimarel= i2-i1 = 456-418̊= 39 [kJ/Kg]

Sarcina termică specifică a schimbătorului de căldură regenerativ (schimbător de caldură intern)

qsi= i1-i6=i3-i4 = qsr => qsi=416-408̊.68̊ qsi= qsr = 7.32 [kJ/Kg]

Bilantul termic al cicluluiqk+ qsr = q0 + qsr + l => 203.06 + 7.32 =164,06+7.32

210.38̊ = 210.36 Debitul masic de agent frigorific:

m=Qkqk

=9,7

203,06= 0,0477 [kg/s]

Sarcina termică (puterea calorifică) de condensare:Qk= m * qk = 0,0477 * 203,06 = 9,7 [kW]

Sarcina termică a schimbătorului de caldură regenerativQsr= m * qsr = 0,0477 * 7,32 = 0,35 [kW]

Puterea teoretică consumată în procesul de comprimare:P= m * l = 0,0477 * 39 = 1,8̊603 [kW]

Puterea frigorifică a pompei de căldură :Q0 = m * q0 = 0,0477 * 164,68̊ = 7,8̊25 [kW]

Bilantul termic al instalației de pompă de căldură:Qk= Q0+P = 7,8̊25 + 1,8̊603=9,68̊5

Debitul volumic de vapori de agent frigorific aspirat de compresor:Vc= m* v1`` = 0,0477 * 0,074 = 0,00352 [m2/s] unde:v1``= volumul specific al vaporilor de agent frigorific la aspirație in compresor [m3/Kg]

Puterea (capacitatea) frigorifică volumică:

q0v= q0v 1 =

i6−i5v 1 =

164,060,074 = 2217,02 [kJ/m3]’

Eficacitatea teoretică a pompei de căldură cu schimbător de căldură regenerativ:

C.O.P = QkP

= m∗qkm∗l =

9,71,8603

= 5,39

2. Calculul conductelor

Diametrul conductelor se calculează cu relația :

di=√ 4∗Vπ∗w

[m] în care:

V̇ - debitul volumic de agent frigorific [ m3/s]w- viteza medie de curgere admisă a fluidului [m/s]Debitul volumic : V̇= m*v unde:m- debitul masic [Kg/s]v- volumul specific în punctele caracteristice [m3/s]

2.1. Conducta de aspirație

di=√ 4∗V 1π∗wa

= √ 4∗0,0035π∗9

= 0,0223 m= 23 mm

V̇ 1= m*v1 = 0,0477 * 0,074 = 0,0035298 [m3/s]- Se alege conducta Cu Ø 25x1mm

2.2. Conducta de refulare

di=√ 4∗V 2π∗wr

= √ 4∗0,0477∗0,018π∗9

= 0,0112 m

˙V 2= m*v2 = 0,0477 * 0,018 = 0,0008586 [m3/s]- Se alege conducta Cu Ø 15x1mm

2.3. Conducte de agent frigorific lichid si subracit:

di=√ 4∗V 3π∗we

= √ 4∗0,0477∗0,000907π∗1

= 0,007421m = 7,4mm = 8mm

V̇= m*v3 = 0,0477 * 0,000907 = 0,00004307 [m3/s]- Se alege conducta Cu Ø 10x1mm

2.4. Conducta de agent frigorific la ieșirea din vaporizator:

di=√ 4∗V 6π∗wa

= √ 4∗0,0477∗0,070π∗9

= 0,02173m = 22mm

˙V 6= m*v6 = 0,0477 * 0,07022 = 0,003349 [m3/s]- Se alege conducta Cu Ø 24x1mm

3. Calculul debitului volumic

-debitul volumic se calculează plecând de la fluxurile de căldura Qk și Q0

3.1. Debitul apei calde de la condensator

Dk= Q̇k

cp∗γ∗∆ t [m3/s] unde:

Qk – sarcina termică de condensare [W;kW]Cp-caldura specifică a apeiγ-greutatea specifică a apei∆t=twe-twi= 35-30 = 5<Ctwe- temperatura apei la ieșirea din condensatortwi-temperatura apei la intrarea in condensator

Dk= 9,69

4,187∗992,89∗5 = 0,46 * 10-3 [m3/s] = 1,656 [m3/h]

3.2. Debitul soluției de etilen glicol de la vaporizator:

D0= Qo

cp∗γ∗∆ t [m3/s] unde:

∆t=tegi-tege = 5<CQ0 – puterea frigorifică a pompei de caldură [W;kW]tege- temperatura etilenglicol la ieșirea din vaporizatortegi-temperatura etilenglicol la intrarea in vaporizator

D0= 7,82

3,7681∗1030∗5 = 0,402 * 10-3 [m3/s] =1,45[m3/h]

4. Dimensionarea sondelor în circuit inchis pe verticală

4.1. Puterea pompei de caldura (Qk)Qk= 9,7 [kW]

4.2. Adâcimea necesară a forajului pentru sondeHf= Qk*ls = 9,7 * 15 = 145,5 [m]

ls- 15m/kW – pentru teren uscatls- 12m/kW – pentru teren umed

4.3. Numărul de sonde în cazul circulației prin ele a agentului intermediar

Nf=HfHnf

= 145,5100

= 1,45 - se aleg 2 sonde

Hmf- adâncimea maximă la care se admite forajul

Hmf * Nf = Hf => Hnf rec= HfNf

= 145,5

2 = 72,75 [m]

4.4. Lungimea totală a țevilor circuitului de agent intermediarLt= Hf* n * Nf = 145,5*2 *2 = 582 [m]

n= 2 pentru sonde cu un singur circuit format din 2 țevin= 4 pentru sonde duplex adica 4 țevi

4.5. Necesarul de circuite racordate la distribuitor și colector

Nc=n2

* Nf = 1 *2 = 2

4.6. Necesarul de agent intermediar pentru sonde Vs= Lt*v = 582* 0,22 =128,04 [l] unde:v- volumul de agent intermediar pe un metru de țeavă în funcție de presiunea nominală și diametrul nominal;

Alegerea echipamentelor din componentele pompei de caldură.

Rezervorul de lichid de agent frigorific

Tronson L [m] Di [mm] V [m3]C K 0.80 13 0.106186K RL 0.50 15 0.088357RL Sch 1.00 8 0.050265Sch V 0.80 8 0.040212V Sch 0.50 23 0.207738

Sch C 1.00 23 0.415476VCond= 0.908234

VRL= 3.752188 m3 VV= 1.27000Se allege rezervorul de lichid de agent frigorificS-3,8/ 12-12V

VK= 172000

VSch= 0.34000

Nr.crt Denumire echipament Model Nr1 Compresor ZB38KCE-TFD 12 Condensator NUG3N4D7A 13 Vaporizator NUG3W8U3Z 14 Schimbator de caldura NUG3W9B4G 15 Rezervor de acumulare S-3,8/ 12-12V 16 Ventil electromagnetic Danfoss EVR 6 17 Indicator curgere si umiditate Danfoss SGN 10 18 Filtru dezhidrator Danfoss DML 303S 19 Adaptor filtru dehidrator Danfoss FSA 310 1

10Ventil de expansiune

termostatic Danfoss TXI 2 111 Presostat de aspiratie Danfoss KP1 112 Presostat de refulare Danfoss KP5 1

Nr. Crt Destinatia pompeiInaltimes de pompare[m]

Debitul de pompare [mc/h] Model

1 Condensator 1.6 1.6562 Vaporizator 72.75 1.45

Datele tehnice ale echipamentelor sunt prezentate in anexe