Maal mp teoriassa ja k yt nn ss
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 41

MAALÄMPÖ TEORIASSA JA KÄYTÄNNÖSSÄ PowerPoint PPT Presentation


  • 61 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

MAALÄMPÖ TEORIASSA JA KÄYTÄNNÖSSÄ. MAAPUTKISTON KERÄÄMÄ ENERGIA maapiirin teho: P maapiiri = C * q m * Δt missä: P = teho (kW) C = ominaislämpökapasiteetti ( kJ/kg * ͦC ) q m = massavirta(kg/s) Δt = lämpötilaero (ͦC ) esim :

Download Presentation

MAALÄMPÖ TEORIASSA JA KÄYTÄNNÖSSÄ

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

MAALÄMPÖ TEORIASSA JA KÄYTÄNNÖSSÄ


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

  • MAAPUTKISTON KERÄÄMÄ ENERGIA

  • maapiirin teho:

  • Pmaapiiri = C * qm * Δt

  • missä:

  • P = teho (kW)

  • C = ominaislämpökapasiteetti (kJ/kg* ͦC)

  • qm = massavirta(kg/s)

  • Δt = lämpötilaero(ͦC)

  • esim:

  • Pmaapiiri = 4,2 kJ/kg*Cº * 0,5 kg/s * 3 ͦC

  • Pmaapiiri = 6,3 kJ/s

  • Pmaapiiri = 6,3 kW

  • ______________________


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

2. maapiirin energia:

Emaapiiri = P * t

missä:

E = energia(kWh)

P = teho (kW)

t = aika(s)

esim:

Emaapiiri = 6,3 kW * 3600 s

Emaapiiri = 22680 kWs

Emaapiiri = 22680 kWs / 3600 s/h

Emaapiiri = 6,3 kWh


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Yksikkö: kWh/(m*vuosi)

PORAKAIVO: n. 40kWh/m*a (80 kWh/porausmetri*a)


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Missä:

  • D on putken halkaisija [m],

  • v on fluidin keskimääräinen virtausnopeus [m/s],

  • ρ on fluidintiheys [kg/m3] ja

  • μ on fluidin dynaaminen viskositeetti [Pa s].

    Putkivirtauksessa Reynoldsin luku tulkitaan seuraavasti:

  • alle 2300: laminaarinen virtaus

  • 2300–4000: siirtymäalue, jossa virtaus voi olla laminaarinen tai turbulenttinen

  • tai vaihdella näiden välillä

  • yli noin 4000: turbulenttinen virtaus

Putkivirtaukselle Reynoldsin luku merkitään muotoon[4]:


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Virtauksen muuttuminen täysin turbulenttiseksi on vaikea ennustaa tarkasti, ja vasta kun Re on noin

10 000 voidaan virtausta pitää varmasti täysin turbulenttisena.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Yleisin lämpöpumppu perustuu Clausius-Rankine kiertoprosessiin.

Koneistossa kiertävä matalapaineinen kylmäaineneste höyrystyy ja kompressorin jälkeen korkeapaineinen höyry lauhtuu.

Kylmäaineen höyrystyminen vaatii lämpöä ja lauhtumisessa lämpöä vapautuu kylmäaineesta lämmitettävään kohteeseen.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Höyrystymispaineeseen kuristettu kylmäaineneste höyrystyy lämmönkeräys-liuoksen luovuttamalla lämpöenergialla.

Yleensä kylmäaine myös tulistuu

jonkin verran höyrystimessä.

Syntyvä höyry puristetaan kompressorissa korkeampaan paineeseen, jolloin se lämpiää huomattavasti.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Lämpöpumppuprosessin korkein lämpötila on kompressorin jälkeen, jolloin kylmäainetta nimitetään kuumakaasuksi.

Korkeapaineinen lämmin kylmäainehöyry kiertää kompressorin jälkeen lauhduttimeen, jossa kylmäaineesta vapautuu lämpöä


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

HFC -kylmäaineiden alikriittisen perusprosessi esitetään kuvassa 5.2.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

1. Kompressoriin menevä höyry höyrystimestä

2. Kuumakaasu kompressorin jälkeen

2s. Isentrooppinen puristustila

3. Lauhtumispiste, tulistus poistunut

4. Lauhtunut neste

5. Neste höyrystimeen paisuntaventtiilin jälkeen

6. Kylläinen höyry, dewpoint.

Tilapisteiden arvot saadaan NIST RefProp -ohjelmasta. Lauhtumispiste (piste 3) on piste, jossa tulistus on poistunut, mutta kylmäaine on vielä täysin kylläistä höyryä. Lauhtumisen loppulämpötila (4) saadaan kylläisen nesteen arvoista, kun paine oletetaan vakioksi lauhtumisessa ja alijäähtyminen oletetaan nollaksi.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Höyrystymisen alkupiste (5) eli piste kuristusventtiilin jälkeen ennen höyrystintä

saadaan olettamalla, että entalpia ei muutu kuristusventtiilissä ja paine on sama kuin höyrystymispaine.

Paine saadaan höyrystymislämpötilasta (6) höyrystimen lopussa, jolloin

kylmäaineneste (5) on höyrystynyt kokonaan kylläiseksi höyryksi (6), mutta se ei ole

vielä tulistunut yhtään.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Höyrystymispisteen (6) lämpötila saadaan valitun maasta tulevan

lämmönkeräysliuoksen lämpötilan ja höyrystimen lämpötilaeron avulla. RefProp- ohjelmassa voidaan määrittää häviöttömän eli isentrooppisen puristustilan entalpiah2s kompressorin jälkeiselle kuumakaasulle.

Se saadaan lauhduttimen paineen ja kompressoriin menevän tulistuneen höyryn (1) entropiasta, kun oletetaan että entropia on vakio.

Kuumakaasun todellinen lämpötila (2) saadaan isentrooppisen hyötysuhteen ηs avulla. Se

määritellään isentrooppisen puristuksen ja todellisen puristuksen entalpioiden suhteena.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Kun kompressori oletetaan adiabaattiseksi eli lämpöeristetyksi, kuumakaasun entalpia h2,ad saadaan kaavalla (5.3).


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Kylmäaineseokset jaetaan faasinmuutoskäyttäytymisensä perusteella

atseotrooppisiin ja tseotrooppisiin seoksiin. Tseotrooppisilla kylmäaineilla on erilaiset

koostumukset kaasu- ja nestefaasissa faasimuutoksen aikana, koska seoskylmäaineen

eri komponentit höyrystyvät ja lauhtuvat puhtaina aineina eri lämpötiloissa.

Höyrystymisessä herkemmin höyrystyvät komponentit muuttuvat nopeammin, jolloin lämpötilan on noustava höyrystymisen jatkumiseksi loppuun. Höyrystyminen ja lauhtuminen tapahtuvat tietyllä lämpötilavälillä, vaikka paine pysyy vakiona.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Hiilidioksidi kylmäaineena

Hiilidioksidia (CO2) käytettiin kylmäaineena 1800 -luvun loppupuolelta aina 1950 -luvulle asti, kunnes CFC -aineet syrjäyttivät sen ja siitä luovuttiin.

Hiilidioksidin ongelmia olivat suuri höyrynpaine ja huono hyötysuhde.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

1980 -luvulla norjalainen professori Gustav Lorentzen kehitti hiilidioksidijärjestelmien prototyyppejä, joiden avulla hän esitteli hiilidioksidin potentiaalia kylmäaineena.

Hiilidioksidia alettiin kehittää uudelleen kylmäaineeksi 1990 -luvun alussa, koska ympäristöasioiden rooli kasvoi yhä suuremmaksi.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Hiilidioksidi poikkeaa ominaisuuksiltaan huomattavasti muista kylmäaineista.

Taulukosta 4.3 nähdään, että hiilidioksidin kriittinen lämpötila on huomattavasti alhaisempi ja paine korkeampi kuin muilla kylmäaineilla. Hiilidioksidin kriittisen pisteen lämpötila on noin 31 ºC ja paine 73,8 bar. Perinteisellä, maalämpöpumpuissa yleisesti käytetyllä, HFC -kylmäaineseoksella R407C kriittisen pisteen lämpötila on noin 86 ºC ja paine 46,3 bar.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Hiilidioksidilämpöpumpun transkriittisten prosessien korkeapaine-puolen paineet ovat noin 5 – 10 -kertaisia verrattuna perinteisten alikriittisten prosessien lauhdutuspuolen

paineisiin. Höyrystimessä paine on 20 – 40 bar ja lämmön luovutus tapahtuu 80 – 130 barinpaineessa


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Hiilidioksidin transkriittinen prosessi on esitetty kuvassa 4.5. Transkriittinenkiertoprosessi koostuu ylikriittisestä lämmönpoistosta ja höyrystimen alikriittisestä eli subkriittisestä lämmöntuonnista. HFC -kylmäaineilla myös lämmönpoisto tapahtuu subkriittisellä alueella eli höyry lauhtuu nesteeksi. Ylikriittisessä prosessissa ei tapahdu faasin muutosta, vaan nesteen ja höyryn seos ainoastaan jäähtyy. Kaasun jäähtyessä hiilidioksidinesteen ja -höyryn seoksen tiheys kasvaa ja samalla nopeus laskee.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Kuvasta 4.6 nähdään että hiilidioksidin isotermit ovat lähes vaakasuorat, kun paine ja lämpötila ovat lähellä kriittistä pistettä. Tällöin lämmönluovutuksen lämpötila on lähes vakio tietyssä paineessa. Prosessi muistuttaa perinteisten kylmäaineiden alikriittistä lauhtumista. Korkeammilla paine- ja lämpötilatasoilla lämpötila muuttuu voimakkaasti lämmönluovutuksessa. Hiilidioksidikaasun jäähtymisestä seuraa huomattavasti suurempi lämpötilaero kuin subkriittisessä prosessissa. Kaasu jäähtyy useita kymmeniä asteita. Termodynaamiset häviöt kasvavat, kun lämmönpoiston lämpötila ei ole vakio. Suurta lämpötilanmuutosta hyödynnetään lämpöpumppujen käyttöveden lämmityksessä.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Kuva 4.7 Kaasun ulostulolämpötilan vaikutus kylmäkertoimeen korkeapaineen funktiona

jäähdytysjärjestelmässä

Kaasunjäähdyttimen jälkeen virtaus paisuu kriittisen paineen alapuolelle paisuntaventtiilissä. Tällöin neste- ja höyryfaasit erottuvat toisistaan ja kylmäaine muuttuu kosteaksi höyryksi. Höyrypitoisuus riippuu paisunnan alku- ja loppupisteistä.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Hiilidioksidilämpöpumpun suunnittelu poikkeaa perinteisen lämpöpumpun suunnittelusta, koska sen ominaisuudet poikkeavat perinteisistä kylmäaineista. Painetasot ovat huomattavasti korkeammat kuin muilla kylmäaineilla, mikä asettaa omat vaatimuksensa laitteistolle. Toisaalta hiilidioksidin vaadittu massavirta on pienempi ja sen myötä komponentit sekä putkikoot ovat pienemmät kuin perinteisillä kylmäaineilla. Painelaitedirektiivin (PED, 97/23/EY) luokka määräytyy tilavuudesta tai putkikoosta sekä suurimmasta sallitusta käyttöpaineesta. Hiilidioksidilla putkikoot jäävät normaalisti alle direktiivin alarajan, jolloin luokka on yksi ja mitoitus ei aiheuta ongelmia.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Transkriittisessä prosessissa kaksiportainen puristus kompressorissa vähentää korkean

lämmönpoistopaineen tuomia haittoja, koska painesuhde pienenee ja lämpötilataso

laskee. Kaksiportaisella puristuksella voidaan parantaa prosessin tehokkuutta merkittävästi.

Puristuksen porrastus voidaan toteuttaa laittamalla useampi kompressori sarjaan tai järjestämällä yhteen kompressoriin välijäähdytys.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

4.8.5. Hiilidioksidi lämpöpumpuissa

Laaja kaupallisten hiilidioksidilämpöpumppujärjestelmien kehitys asuinrakennuksiin alkoi Japanissa 1990 -luvun puolivälissä.

Denson järjestelmä tuli markkinoille ensimmäisenä vuonna 2001, minkä jälkeen tulivat Sanyo ja Daikin vuonna 2002, ja Mitsubishi vuonna 2003. Nyt yli 17 yritystä myyvät järjestelmiä.

Lämpökertoimet ovat parantuneet nopeasti yli arvon 4,0 kasvavan kilpailun myötä.

Japanissa huomattiin, että veden varastoiminen erittäin korkeassa lämpötilassa pienentää tarvittavan varaajan kokoa. Varaajan eristyksellä on myös parannettu energiatehokkuutta vähentämällä lämmönhukkaa. Myös äänekkyyttä on pienennetty aktiivisesti.


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Euroopan Unioni on rahoittanut käyttöveden lämmitykseen soveltuvien hiilidioksidi-lämpöpumppujen kehitysprojekteja ja myöhemmin hankkeisiin on sisältynyt myös

vesikeskuslämmitysmahdollisuudet.

Monet yliopistot ja tutkimuslaitokset ovat kehittäneet hiilidioksidilämpöpumpun prototyyppejä, mutta kaupalliseen sarja-tuotantoon ei ole vielä päästy järjestelmissä, jotka soveltuisivat kokonaisvaltaisesti sekä käyttö- että lämmitysveden tuottoon. (Sienel 2006, s. 41)


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Kuva 4.8 Yksiportaisen transkriittisen hiilidioksidilämpöpumppuprosessin lämpökerroin

(COP) kaasunjäähdyttimen hiilidioksidin ulostulolämpötilan (CO2 OutletTemperature)

ja korkeapaineen funktiona. Höyrystymislämpötila on -5 ºC, tulistus 5 ºC, isentrooppinen

hyötysuhde kompressorille on 0,6 ja lämmönhukka kompressorista oletetaan

olevan 10 %. Vaaka-akselilla on lämpötila ja käyrät kuvaavat eri paineita. Suluissa on

ilmoitettu hiilidioksidin sisäänmenolämpötila kaasunjäähdyttimeen


Maal mp teoriassa ja k yt nn ss

Maksimilämmitystehontarve on 10,5 kW. Taulukossa 6.2 esitetään käyttöveden

lämmitystarpeen jakautuminen ylä- ja alavaraajaan eri lauhtumislämpötiloissa. Nähdään, että käyttöveteen menevä kokonaisteho tehdyillä oletuksilla on 0,5 kW. Tällöin lämmityksen maksimitehontarpeeksi jää noin 10 kW. Kokonais-lämmitysenergian tarve vuodessa lasketaan pysyvyyskäyrältä vuorokausien energiantarpeiden summana ja arvoksi saadaan 23955 kWh, josta käyttöveden lämmitysenergia on 4088 kWh vuodessa. Taulukko 6.2 Käyttöveden (200 l/vrk) lämmitystarpeen jakautuminen alkulämmitykseen ja loppukuumennukseen eri lauhtumislämpötilatasoissa.


  • Login