plundstrom
Aktiivinen jäsen
- Keskustelun aloittaja
- #121
Vs: Ulkolämpötilan vaikutus ILPin lämmöntuottoon, teoriaosuus
Ulkolämpötilan vaikutus ILPin lämmöntuottoon, yhteenveto
Tämä keskusteluketju on ollut erittäin mielenkiintoinen ja opettavainen. Olemme yhdessä pähkäilleet ja miettineet teoreettisesti eri tapahtumia lämpöpumpun sisällä ja mielestäni ratkaisseet, jos ei kaikkia, niin ainakin suurimmat asiat, jotka vaikuttavat lämpöpumpun lämmöntuoton muutokseen ulkolämpötilan mukaan. Kiitos kaikille mukana olleille. Nyt olisi sitten tarkoitus laittaa kaikki opittu yhteen ja esittää graafisen ratkaisun ja laskennan avulla miten lämmöntuotto teho muuttuu lämpötilan mukaan. Seuraavissa laskuissa on mukana (ainakin) seuraavat oletukset.
1. ON/OFF tyyppinen ILP jossa kompressori käy vakiokierroksilla ja käyttää kylmäaineena R410A
2. Ratkaisu yrittää matkia oikeaa lämpöpumppua jossa on kompressori ja säädettävä paisuntaventtiili, mutta ratkaisussa ei oteta huomioon käytännön koneissa syntyviä lämpö-/painehäviöitä putkistossa eikä kompressorissa. Kompressorin hyötysuhteeksi oletetaan 100%.
3. Laskelmat esitetään +10 ja -10 asteen ulkolämpötilassa. Sisälämpö vakio +20.
4. Laitteen "valmistajan ilmoittama" lämmöntuotto +10 asteessa on 4kW.
5. Sisä- ja ulkopuhaltimessa on "tarpeeksi" puhtia, mutta niiden sähkönkulutus oletetaan nollaksi.
Kuvaan 1 on piirretty kaksi vinoneliötä joista punainen kuvaa +10 asteen kuviota ja sininen -10 asteen ulkolämpötilassa.
1. Pikakurssi kuvion lukemiseen:
X-akseli kuvaa aineen entalpiaa. Lyhyesti sanottuna aineen lämpöenergia yhtä kilogrammaa kohti (kJ/kg). Jos kuviosta tarkastellaan kahta pistettä voidaan niiden välinen energiaero lukea suoraan kuviosta X-akselin eroina.
Y-akseli on paine (MPa, Mega Pascal. Normaali ilmanpaine eli 1 bar on noin 0,1 MPa)
Kuviossa tärkeä viiva on se kupolimainen nurinpäin käännetyn U kirjaimen muotoinen paksu musta viiva. Tämän kuvion oikealla puolella kylmäaine on täysin kaasumaisessa olomuodossa. Kaarevasti oikealle alas kääntyvät viivat kuvaavat kaasun lämpötilaa. Kupolin vasemmalla puolella kylmäaine on nestemäisessä muodossa. Kupolin sisällä aine on kaasun ja nesteen seos. Kuvion sisällä menevät kaarevat viivat 0.1, 0.2,,, 0,9 kuvaavat kaasun kylläisyyttä (0.6 = 60% aineesta on kaasumaisessa muodossa ja 40% nesteenä). Kupolin sisällä tapahtuu siis kylmäaineen olomuodon muutos kaasusta nesteeksi tai päinvastoin. Huomaa, että lämpötilaviivat kupolin sisällä ovat vaakasuoria. R410A aineella olomuodon muutos tapahtuu painetta vastaavassa vakiolämpötilassa (aineen lämpöliukuma on 0).
Kuviosta löytyy kaasupuolelta vielä katkoviivalla piirrettynä kaasun tiheysviivat (m3/kg).
Kylmäaineen kiertokulku lämpöpumpun eri osissa muodostaa piirretyn kuvion kaltaisen vinoneliön. Kiertosuunta tuossa kuviossa on vastapäivään (oikea-alanurkka (1) -> oikea ylän. (2) -> vasen ylän.(3) -> vasen alan. (4) -> oikea alan.(1), jne.
Oikea alanurkka (1) kuvaa sitä hetkeä kun kaasu poistuu ulkoyksiköstä ja menee kompressoriin.
Oikealle kallistuva ja nouseva viiva (1-2) kuvaa puristusta kompressorissa. Paine ja lämpötila nousevat.
Yläviiva (jota kuljetaan oikealta vasemmalle, 2-3) kuvaa sisäyksikössä tapahtuvaa lauhtumista. Ensin kaasun jäähtyy, ja kun se saavuttaa kiinteän kupoliviivan, rupeaa se nesteytymään. Kun saavutaan kupolin vasempaan reunaan on se täysin nestemäistä. Tämän jälkeen ainetta voidaan vielä jäähdyttää lähemmäksi huoneen lämpötilaa. Eli siirrytään viivaa pitkin vielä vasemmalle.
Kuvion pystysuora vasen reuna (3-4) kuvaa tapahtumaa paineventtiilissä. Suuressa paineessa oleva neste päästetään pienpainepuolelle. Aineen paine laskee äkillisesti ja aine rupeaa kiehumaan ja osa siitä muuttuu nopeasti kaasuksi. Esim. sinisellä viivalla 25% aineesta on höyrystynyt heti paineventtiilin jälkeen.
Kuvion alareuna (4-1) kuvaa tapahtumaa ulkoyksikössä. Siellä kylmäaine jatkaa kiehumista vakiolämpötilassa ja -paineessa. Kun kaikki kylmäaine on höyrystynyt kaasuksi saavutaan kupolin oikeaan laitaan. Tässä vaiheessa kylmäaineen lämpötila on muutaman asteen ulkolämpötilaa kylmempi ja sitä voidaan kaasumaisena vielä lämmittää lähemmäksi ulkolämpötilaa. Tätä kutsutaan kaasun tulistamiseksi.
Tästä kaasu siirtyy kompressoriin ja koko prosessi alkaa alusta.
2. Kuviosta luettavat tärkeät tiedot
Höyrystyminen tapahtuu muutaman asteen ulkoilmaa kylmemmässä. Tässä on piirretty alareunat -14 ja +6.
Tulistuminen (nurkka 1) on piirretty hyvin lähelle ulkolämpötilaa, -10 ja +10.
Sinisen nurkan 1 tiedot: lämpötila -10, paine 0,5 MPa (5 bar), tiheys 0,054 m3/kg, entalpia 422 kJ/kg
Punaisen nurkan 1 tiedot: lämpötila +10, paine 0.95 MPa, tiheys 0,028 m3/kg, entalpia 430 kJ/kg
Kompressorilla on molempiin kuvioihin tuotu työtä 35 kJ/kg
Sininen nurkka 2: lämpötila +55, paine 2 MPa (20 bar), tiheys 0,015m3/kg, entalpia 457 kJ/kg
Punainen nurkka 2: lämpötila +78, paine 0,34 MPa, tiheys 0,009 m3/kg, entalpia 465 kJ/kg
Nurkka 3 molemmissa: lämpötila +25, entalpia 240 kJ/kg
Sininen nurkka 4: lämpötila -14, paine 0,5 MPa, entalpia 240 kJ/kg
Punainen nurkka 4: lämpötila +6, paine 0,95 MPa, entalpia 240 kJ/kg
3. Lämpötehon laskenta
Sitten päästään itse asiaan eli lasketaan paljonko lämpöä saadaan näissä kahdessa eri ulkolämpötilassa.
+10 asteen tapaus
Punaisen yläviivan entalpiamuutos on 465 - 240 = 225 kJ/kg
Tehtävän alkuasetelmassa sovittiin ILPin lämmöntuotoksi 4 kW +10 asteen lämpötilassa.
Eli massavirran tarve on silloin 4 kW/(225 kJ/kg) = 17,8 g/s.
Kompressorin imuaukossa (nurkka 1) on aineen tiheys 0,028 m3/kg. Jotta saataisiin sinne myös sama massavirta, täytyy tilavuusvirta olla siellä 0,0178 kg/s x 28 l/kg = 0,5 l/s (litraa per sekunti)
-10 asteen tapaus
Koska meillä on vakionopeudella pyörivä kompressori on sillä imupuolella sama tilavuusvirta ulkolämpötilasta riippumatta, eli 0,5 l/s
Kylmäaineen tiheys tuossa imuaukolla on (-10 c) 0,054 m3/kg. Massavirraksi tulee 0,0005 m3/s / (0,054m3/kg) = 9,3 g/s.
Lämpöteho on entalpiamuutos x massavirta = (457 - 240)kJ/kg x 0,0093 kg/s = 2kW
4. Sekalaisia ajatuksia
-10 asteen lämpötilassa ILPin lämmöntuotto on aika tarkkaan puolet +10 asteen vastaavasta. Suurin "syyllinen" tähän pudonneeseen lämmöntuottoon on kylmäaineen pienempi paine ja tiheys kylmemmässä. Höyrystimessä on pidettävä sellaista painetta, että sitä vastaava kylmäaineen höyrystymislämpötila on aina matalampi kuin ulkolämpötila. Tämä sen takia, että lämpöenergia siirtyy vain yhteen suuntaan, eli lämpimästä kylmempään.
Jos tarkastellaan äsken laskettuja lukuja, niin huomataan että entalpian muutos sisäyksiköllä oli lähes sama (225 vs. 217), mutta massavirta oli +10 asteen tapauksessa lähes tuplat verrattuna -10 asteeseen. Tämä johtuu suoraan kylmäaineen tiheydestä imupuolella. Näiden suhde oli 0,0054/0,028 = 1,9. Tästä voidaan karkeasti tehdä päätelmä, että vakionopeudella pyörivän kompressori-lämpöpumpun lämmöntuottojen suhde eri ulkolämpötiloissa on suunnilleen sama kuin ko. ulkolämpötilaa vastaavien kylmäaineiden tiheyksien suhde.
Ulkolämpötilan vaikutus ILPin lämmöntuottoon, yhteenveto
Tämä keskusteluketju on ollut erittäin mielenkiintoinen ja opettavainen. Olemme yhdessä pähkäilleet ja miettineet teoreettisesti eri tapahtumia lämpöpumpun sisällä ja mielestäni ratkaisseet, jos ei kaikkia, niin ainakin suurimmat asiat, jotka vaikuttavat lämpöpumpun lämmöntuoton muutokseen ulkolämpötilan mukaan. Kiitos kaikille mukana olleille. Nyt olisi sitten tarkoitus laittaa kaikki opittu yhteen ja esittää graafisen ratkaisun ja laskennan avulla miten lämmöntuotto teho muuttuu lämpötilan mukaan. Seuraavissa laskuissa on mukana (ainakin) seuraavat oletukset.
1. ON/OFF tyyppinen ILP jossa kompressori käy vakiokierroksilla ja käyttää kylmäaineena R410A
2. Ratkaisu yrittää matkia oikeaa lämpöpumppua jossa on kompressori ja säädettävä paisuntaventtiili, mutta ratkaisussa ei oteta huomioon käytännön koneissa syntyviä lämpö-/painehäviöitä putkistossa eikä kompressorissa. Kompressorin hyötysuhteeksi oletetaan 100%.
3. Laskelmat esitetään +10 ja -10 asteen ulkolämpötilassa. Sisälämpö vakio +20.
4. Laitteen "valmistajan ilmoittama" lämmöntuotto +10 asteessa on 4kW.
5. Sisä- ja ulkopuhaltimessa on "tarpeeksi" puhtia, mutta niiden sähkönkulutus oletetaan nollaksi.
Kuvaan 1 on piirretty kaksi vinoneliötä joista punainen kuvaa +10 asteen kuviota ja sininen -10 asteen ulkolämpötilassa.
1. Pikakurssi kuvion lukemiseen:
X-akseli kuvaa aineen entalpiaa. Lyhyesti sanottuna aineen lämpöenergia yhtä kilogrammaa kohti (kJ/kg). Jos kuviosta tarkastellaan kahta pistettä voidaan niiden välinen energiaero lukea suoraan kuviosta X-akselin eroina.
Y-akseli on paine (MPa, Mega Pascal. Normaali ilmanpaine eli 1 bar on noin 0,1 MPa)
Kuviossa tärkeä viiva on se kupolimainen nurinpäin käännetyn U kirjaimen muotoinen paksu musta viiva. Tämän kuvion oikealla puolella kylmäaine on täysin kaasumaisessa olomuodossa. Kaarevasti oikealle alas kääntyvät viivat kuvaavat kaasun lämpötilaa. Kupolin vasemmalla puolella kylmäaine on nestemäisessä muodossa. Kupolin sisällä aine on kaasun ja nesteen seos. Kuvion sisällä menevät kaarevat viivat 0.1, 0.2,,, 0,9 kuvaavat kaasun kylläisyyttä (0.6 = 60% aineesta on kaasumaisessa muodossa ja 40% nesteenä). Kupolin sisällä tapahtuu siis kylmäaineen olomuodon muutos kaasusta nesteeksi tai päinvastoin. Huomaa, että lämpötilaviivat kupolin sisällä ovat vaakasuoria. R410A aineella olomuodon muutos tapahtuu painetta vastaavassa vakiolämpötilassa (aineen lämpöliukuma on 0).
Kuviosta löytyy kaasupuolelta vielä katkoviivalla piirrettynä kaasun tiheysviivat (m3/kg).
Kylmäaineen kiertokulku lämpöpumpun eri osissa muodostaa piirretyn kuvion kaltaisen vinoneliön. Kiertosuunta tuossa kuviossa on vastapäivään (oikea-alanurkka (1) -> oikea ylän. (2) -> vasen ylän.(3) -> vasen alan. (4) -> oikea alan.(1), jne.
Oikea alanurkka (1) kuvaa sitä hetkeä kun kaasu poistuu ulkoyksiköstä ja menee kompressoriin.
Oikealle kallistuva ja nouseva viiva (1-2) kuvaa puristusta kompressorissa. Paine ja lämpötila nousevat.
Yläviiva (jota kuljetaan oikealta vasemmalle, 2-3) kuvaa sisäyksikössä tapahtuvaa lauhtumista. Ensin kaasun jäähtyy, ja kun se saavuttaa kiinteän kupoliviivan, rupeaa se nesteytymään. Kun saavutaan kupolin vasempaan reunaan on se täysin nestemäistä. Tämän jälkeen ainetta voidaan vielä jäähdyttää lähemmäksi huoneen lämpötilaa. Eli siirrytään viivaa pitkin vielä vasemmalle.
Kuvion pystysuora vasen reuna (3-4) kuvaa tapahtumaa paineventtiilissä. Suuressa paineessa oleva neste päästetään pienpainepuolelle. Aineen paine laskee äkillisesti ja aine rupeaa kiehumaan ja osa siitä muuttuu nopeasti kaasuksi. Esim. sinisellä viivalla 25% aineesta on höyrystynyt heti paineventtiilin jälkeen.
Kuvion alareuna (4-1) kuvaa tapahtumaa ulkoyksikössä. Siellä kylmäaine jatkaa kiehumista vakiolämpötilassa ja -paineessa. Kun kaikki kylmäaine on höyrystynyt kaasuksi saavutaan kupolin oikeaan laitaan. Tässä vaiheessa kylmäaineen lämpötila on muutaman asteen ulkolämpötilaa kylmempi ja sitä voidaan kaasumaisena vielä lämmittää lähemmäksi ulkolämpötilaa. Tätä kutsutaan kaasun tulistamiseksi.
Tästä kaasu siirtyy kompressoriin ja koko prosessi alkaa alusta.
2. Kuviosta luettavat tärkeät tiedot
Höyrystyminen tapahtuu muutaman asteen ulkoilmaa kylmemmässä. Tässä on piirretty alareunat -14 ja +6.
Tulistuminen (nurkka 1) on piirretty hyvin lähelle ulkolämpötilaa, -10 ja +10.
Sinisen nurkan 1 tiedot: lämpötila -10, paine 0,5 MPa (5 bar), tiheys 0,054 m3/kg, entalpia 422 kJ/kg
Punaisen nurkan 1 tiedot: lämpötila +10, paine 0.95 MPa, tiheys 0,028 m3/kg, entalpia 430 kJ/kg
Kompressorilla on molempiin kuvioihin tuotu työtä 35 kJ/kg
Sininen nurkka 2: lämpötila +55, paine 2 MPa (20 bar), tiheys 0,015m3/kg, entalpia 457 kJ/kg
Punainen nurkka 2: lämpötila +78, paine 0,34 MPa, tiheys 0,009 m3/kg, entalpia 465 kJ/kg
Nurkka 3 molemmissa: lämpötila +25, entalpia 240 kJ/kg
Sininen nurkka 4: lämpötila -14, paine 0,5 MPa, entalpia 240 kJ/kg
Punainen nurkka 4: lämpötila +6, paine 0,95 MPa, entalpia 240 kJ/kg
3. Lämpötehon laskenta
Sitten päästään itse asiaan eli lasketaan paljonko lämpöä saadaan näissä kahdessa eri ulkolämpötilassa.
+10 asteen tapaus
Punaisen yläviivan entalpiamuutos on 465 - 240 = 225 kJ/kg
Tehtävän alkuasetelmassa sovittiin ILPin lämmöntuotoksi 4 kW +10 asteen lämpötilassa.
Eli massavirran tarve on silloin 4 kW/(225 kJ/kg) = 17,8 g/s.
Kompressorin imuaukossa (nurkka 1) on aineen tiheys 0,028 m3/kg. Jotta saataisiin sinne myös sama massavirta, täytyy tilavuusvirta olla siellä 0,0178 kg/s x 28 l/kg = 0,5 l/s (litraa per sekunti)
-10 asteen tapaus
Koska meillä on vakionopeudella pyörivä kompressori on sillä imupuolella sama tilavuusvirta ulkolämpötilasta riippumatta, eli 0,5 l/s
Kylmäaineen tiheys tuossa imuaukolla on (-10 c) 0,054 m3/kg. Massavirraksi tulee 0,0005 m3/s / (0,054m3/kg) = 9,3 g/s.
Lämpöteho on entalpiamuutos x massavirta = (457 - 240)kJ/kg x 0,0093 kg/s = 2kW
4. Sekalaisia ajatuksia
-10 asteen lämpötilassa ILPin lämmöntuotto on aika tarkkaan puolet +10 asteen vastaavasta. Suurin "syyllinen" tähän pudonneeseen lämmöntuottoon on kylmäaineen pienempi paine ja tiheys kylmemmässä. Höyrystimessä on pidettävä sellaista painetta, että sitä vastaava kylmäaineen höyrystymislämpötila on aina matalampi kuin ulkolämpötila. Tämä sen takia, että lämpöenergia siirtyy vain yhteen suuntaan, eli lämpimästä kylmempään.
Jos tarkastellaan äsken laskettuja lukuja, niin huomataan että entalpian muutos sisäyksiköllä oli lähes sama (225 vs. 217), mutta massavirta oli +10 asteen tapauksessa lähes tuplat verrattuna -10 asteeseen. Tämä johtuu suoraan kylmäaineen tiheydestä imupuolella. Näiden suhde oli 0,0054/0,028 = 1,9. Tästä voidaan karkeasti tehdä päätelmä, että vakionopeudella pyörivän kompressori-lämpöpumpun lämmöntuottojen suhde eri ulkolämpötiloissa on suunnilleen sama kuin ko. ulkolämpötilaa vastaavien kylmäaineiden tiheyksien suhde.
