U radu su prikazani rezultati termomehaničke analize
rada kaskadne toplotne pumpe voda–voda. Toplotna
pumpa je predviđena za grejanje eksploatacijom
subgeotermalnih voda u Srbiji. Prikazana je
metodologija izbora radnih fluida u kaskadama i
izbora režima rada koji daju najbolje energetske
pokazatelje rada kaskadne toplotne pumpe. Za
razmatrane raspone uticajnih veličina i usvojene
pretpostavke dobijeni rezultati su zadovoljavajući i
pružaju perspektivu za dalja istraživanj

Antonijević, Dragi

Gojak, Milan

Komatina, Mirko

Rudonja, Nedžad

Saljnikov, Aleksandar

Stevanović, Zoran

machinery

39 2 • 2010 kghBI­BLI­D 0350–1426 (206) 39:2 p. 39–42SELECTION OF WORKING FLUIDS AND OPTIMAL OPERATION MODE OF THE CASCADE HEAT PUMPThis article presents the results of thermodynamic analysis of operation of a two-stage water-to-water cascade heat pump. The heat pump is designed for central heating by exploiting subgeothermal waters in Serbia. The methodology of selecting the working fluids in the cascades as well as selecting the operation mode in order to obtain the best energy efficiency indicators of cascade heat pump operation is shown. For the analyzed spans of relevant quantities and introduced assumptions, the obtained results are good and offer a perspective for further research.KEy WORDS:  cascade heat pump; subgeothermal water; working fluids; operation modesU radu su prikazani rezultati termomehaničke analize rada kaskadne toplotne pumpe voda–voda. Toplotna pumpa je predviđena za grejanje eksploatacijom subgeotermalnih voda u Srbiji. Prikazana je metodologija izbora radnih fluida u kaskadama i izbora režima rada koji daju najbolje energetske pokazatelje rada kaskadne toplotne pumpe. Za razmatrane raspone uticajnih veličina i usvojene pretpostavke dobijeni rezultati su zadovoljavajući i pružaju perspektivu za dalja istraživanjaKljučne reči:  kaskadna toplotna pumpa; subgeotermalna voda; radni fluidi; režim radaM. GOJAK, N. RUDONJA, M. KOMATINA, Univerzitet u Beogradu, Mašinski fakultet, Kraljice Marije 16, Beograd; D. AnTOnijeViĆ, Univerzitet Singidunum, Fakultet za primenjenu ekologiju, Danijelova 29, Beograd; A. SALJNIKOV, Univerzitet u Beogradu, Mašinski fakultet, Kraljice Marije 16, Beograd; Z. STeVAnOViĆ, univerzitet u Beogradu, rudarsko-geološki fakultet, Đušina 7, BeogradIZBOR RADNIH FLUIDA I OPTIMALNOG REŽIMA  RADA KASKADNE TOPLOTNE PUMPE1. UvodEksploataciju obnovljivih subgeotermalnih energijskih po-tencijala moguće je ostvariti primenom toplotnih pumpi. Osim povoljnih ekoloških aspekata, to može doneti i zna-čajno smanjenje potrošnje energije iz konvencionalnih izvo-ra. U Srbiji se blizu jedne trećine ukupne potrošnje finalne energije potroši za grejanje stambenog i poslovnog prosto-ra [1, 2, 3, 5]. U ukupnoj potrošnji energije za grejanje veli-ki je udeo električne energije, što je sa stanovišta kvaliteta energije i energetske efikasnosti neprihvatljivo. U sagla-snosti sa direktivama EU, učešće obnovljivih izvora energi-je u budućnosti treba da raste u ukupnoj potrošnji energije. Teritorija Srbije raspolaže značajnom količinom subgeoter-malnih podzemnih voda [3]. Pod subgeotermalnim vodama podrazumevaju se podzemne vode koje na ili pri površi-ni terena imaju temperaturu u opsegu od 12°C do 30°C. Bez obzira na nesumnjiv energetski potencijal, zbog niskog temperaturnog nivoa, subgeotermalne vode nije moguće direktno koristiti za grejanje. Da bi ovaj izvor energije ipak bilo moguće efikasno koristiti za grejanje, neophodna je pri-mena toplotnih pumpi. Postoje različite varijante grejnih sistema sa primenom to-plotnih pumpi. U slučaju korišćenja jednostepene toplotne pumpe, polazna temperatura grejne vode kreće se u inter-valu od 35°C do 55°C. To je zadovoljavajuća temperatura za niskotemperaturne sisteme grejanja (npr. podno i zidno grejanje). Međutim, najveći broj postojećih i novih sistema centralnog grejanja u objektima u Srbiji jesu sistemi vodnog grejanja sa visokotemperaturnim režimom rada 90°C/70°C, tako da primena jednostepenih toplotnih pumpi u takvim si-stemima nije moguća. Stoga se javila ideja za primenu (razvoj) kaskadne toplotne pumpe, koja bi obezbeđivala povišenje temperature grejne vode do zadovoljavajućeg nivoa. Pošto su kaskade nezavi-sne, za svaku od njih se bira onaj radni fluid koji u dotičnom području temperatura ima najpovoljnije termomehaničke karakteristike. Sem korišćenja u novoizgrađenim sistemi-ma sa radijatorskim grejanjem, kaskadnu toplotnu pumpu bi 40kgh 2 • 2010bilo moguće direktno instalirati u postojeće sisteme central-nog grejanja, a prvenstveno bi to bilo povoljno u objektima koji nisu priključeni na sisteme daljinskog grejanja, čime bi se energetski efekat dopunio ekološkim efektima proizašlim iz gašenja toplana na ugalj i mazut. 2. Termomehanička analiza2.1. Uslovi i postupak analizeNa slici 1 prikazana je šema toplotne pumpe sa dve jedno-stepene kaskade. Oznaka R odnosi se na isparivače, Kd na kondenzatore, Kp na kompresore a PV na prigušne venti-le. Broj ukazuje na to u kojoj kaskadi (kom temperaturnom nivou) funkcioniše odgovarajuća komponenta postrojenja. Tako broj 1 označava niži temperaturni nivo, odnosno „do-nju“ kaskadu, dok broj 2 označava viši temperaturni nivo, odnosno „gornju“ kaskadu. Temperature razvodne i povrat-ne vode sistema centralnog grejanja su označene, po redo-sledu, sa e tr i tp , dok su sa twul i twiz označene temperature subgeotermalne vode na ulazu i izlazu iz toplotne pumpe. t wult wizRADNI  FLUID  1  RADNI  FLUID  2      Kp1       Kp2  PV2  PV1  R1t r t p Kd1–R2Kd2Slika 1. Šema kaskadne toplotne pumpeAnaliziran je rad toplotne pumpe za temperature subgeoter-malne vode na ulazu u toplotnu pumpu u intervalu od 10°C do 30°C, čime je obuhvaćen raspon temperatura najvećeg broja podzemnih voda u Srbiji. U ovom radu su prvenstve-no prikazani rezultati analize za temperaturu kondenzaci-je radnog fluida u visokotemperaturnoj kaskadi tKd2 = 75°C. Ova temperatura kondenzacije omogućava rad grejnog si-stema u režimu 70°C/55°C [4]. Uzimajući u obzir predi-menzionisanost postojećih grejnih sistema usled oštrih projektnih uslova, malu učestalost ekstremno niskih tempe-ratura i poboljšanja toplotnoizolacionih svojstava omotača starijih zgrada, u skladu sa novim propisima u ovoj oblasti, ovaj režim grejanja bio bi zadovoljavajući. Trebalo bi ura-diti dodatne analize (tehno-ekonomsku i statističku) da li je potrebno predvideti i više temperature kondenzacije ili, eventualno, predvideti dodatni izvor energije za pokrivanje pikova u zahtevima za grejanje. Za različite vrednosti temperature twul iz navedenog interva-la, određivane su vrednosti merodavnih termomehaničkih parametara ciklusa kaskadne toplotne pumpe. Za tempera-turu isparavanja fluida u niskotemperaturnoj kaskadi usva-jana je vrednost za 8 °C niža od twul. Za napred definisane uslove, variranjem temperaturnog režima u međurazmenji-vaču toplote između kaskada (temperature kondenzacije u niskotemperaturnoj kaskadi, tKd1, i temperature isparavanja u visokotemperaturnoj kaskadi, tR2) određivan je optimal-ni režim rada kaskadne toplotne pumpe. Analiza je spro-vedena za usvojenu minimalnu razliku temperatura između fluida u međurazmenjivaču toplote tKd1 – tR2 = 7°C. Pod op-timalnim režimom rada toplotne pumpe podrazumevan je onaj režim rada koji daje najveću vrednost ukupnog faktora grejanja kaskadne toplotne pumpe, kao i povoljne vrednosti stepena sabijanja radnih fluida u kompresorima. Procedure proračuna su ponavljane za različite radne fluide u donjoj i gornjoj kaskadi toplotne pumpe, a sve u cilju određivanja njihove termodinamički najpovoljnije kombinacije. 2.2. Rezultati analize Za svaku od kaskada bira se onaj radni fluid koji u dotičnom području temperatura ima najpovoljnije termomehaničke i tehno-ekonomske karakteristike. Analizom je pokazano da je u „donjoj“ (niskotemperaturnoj) kaskadi amonijak (R717) termodinamički najpovoljniju radni fluid [3]. Ovde su pri-kazani rezultati izbora najpovoljnijeg radnog fluida samo u „gornjoj“ kaskadi, kao i optimalnog režima rada toplotne pumpe za date ulazne podatke. Na slikama 2 do 5 prikaza-ni su rezultati poređenja u „gornjoj“ kaskadi sledećih radnih fluida: R134a, R290 i R407C. U „donjoj“ kaskadi kao najpo-voljniji fluid uziman je R717. Za bilo koju kombinaciju radnih fluida, povišenjem tempera-ture kondenzacije u niskotemperaturnom kolu (tKd1) i tem-perature isparavanja u visokotemperaturnom kolu (tR2), očekivano, faktor grejanja niskotemperaturskog kola, εg1, opada a visokotemperaturnog, εg2, raste. Na ukupan fak-tor grejanja kaskadne toplotne pumpe, εg, podjednako uti-ču vrednosti εg1 i εg2. Dakle, postoji optimalni temperaturni režim rada međurazmenjivača toplote (optimalna “tempe-ratura kaskade“), odnosno optimalne temperature tKd1 i tR2 koje daju maksimalnu vrednost faktora grejanja kaskadne toplotne pumpe. Na slikama 2 i 3 prikazane su zavisnosti faktora grejanja ni-skotemperaturskog i visokotemperaturskog kola, odnosno ukupnog faktora grejanja toplotne pumpe, od “temperatu-re kaskade“, za različite radne fluide, pri temperaturi vode twul = 16°C i temperaturi kondenzacije tKd2 = 75°C. Simboli označavaju vrednosti dobijene proračunom. Faktor grejanja 40 45 50 55 60 65468101214tKd1  [ oC]tR2 = tKd1 – 7 °Ctwul  = 16 °CtKd2  = 75 °C ε g1,ε g2 (R134a) (R290) (R407C) (R717))Slika 2. Zavisnost faktora grejanja niskotemperaturskog i visoko-temperaturskog kola toplotne pumpe od “temperature kaskade“41 2 • 2010 kghvisokotemperaturnog kola, a time i ukupni faktor grejanja toplotne pumpe sa R134a kao radnim fluidom, viši je nego faktori grejanja sračunati za radne fluide R290 i R407C. Maksimum krive ukupnog faktora grejanja nije oštar i nala-zi se i oko temperature tKd1 = 55°C. Vrednosti faktora gre-janja dobijene za R290 su veoma bliske vrednostima za R134a, dok su vrednosti za R407C u visokotemperaturnom kolu najniže. Ovakav redosled fluida je isti i za ceo analizi-rani interval temperatura podzemne vode. Vrednost faktora grejanja kaskadne toplotne pumpe defi-nisana je odnosom grejne snage i zbira snaga kompreso-ra, tj. izrazom:εggKp KpQP P=+, ,.1 2Smanjivanjem razlika temperature između temperature ra-zvodne vode u sistemu grejanja i temperature podzemne vode, odnosno temperatura između kojih radi toplotna pumpa, faktori grejanja rastu. Za datu temperaturu kon-denzacije tKd2, na osnovu maksimuma krivih faktora greja-nja toplotne pumpe, za posmatrane kombinacije rashladnih fluida (sl. 3), formiran je dijagram zavisnosti maksimalnih vrednosti faktora grejanja od temperature podzemne vode (sl. 4a). Za datu temperaturu podzemne vode, na sličan na-čin, formiran je dijagram vrednosti faktora grejanja u zavi-snosti od temperature kondenzacije tKd2 (sl. 4b). Treba naglasiti da radni režim koji daje maksimalan fаktor grejanja nije nužno optimalan i u pogledu procesa u kom-presorima. Na slici 5 se vidi da je u svim radnim režimima stepen sabijanja fluida R290 nešto niži nego za R134a. Tako postoji mogućnost da se, u zavisnosti od ponašanja u realnom postrojenju (padovi pritiska u kolu, efikasnost raz-menjivača toplote, efikasnosti kompresije, itd.), redosled ova dva fluida eventualno promeni u smislu povoljnijeg. U radnim režimima u okolini maksimuma faktora grejanja ste-pen sabijanja je viši u niskotemperaturskom kolu. U tom smislu, sa aspekta kvaliteta i sigurnosti procesa u kompresoru, režimi sa nešto nižim temperaturama kaska-de mogu biti povoljniji. Za potrebe ove analize iskustveno su usvojene razlike tem-peratura odgovarajućih fluida u razmenjivačima toplote (is-parivaču R1, međurazmenjivaču Kd1-R2 i kondenzatoru Kd2). Te vrednosti zavise od izabranih komponenata siste-ma i ostvarenih radnih režima, kao i regulacije u realnom postrojenju. Tačnost razlika temperatura fluidnih struja uti-če na dobijene vrednosti faktora grejanja, ali ne utiče na iz-bor najpovoljnijih radnih fluida. Ovaj uticaj će biti predmet podrobnije pažnje u budućim analizama rada kaskadne toplotne pumpe.40 45 50 55 60 652,83,03,23,43,6twul  = 16 °CtKd2  = 75 °C (R717+R134a) (R717+R290) (R717+R407C)tKd1  [ oC]tR2 = tKd1 – 7 °Cε gSlika 3. Zavisnost faktora grejanja toplotne pumpe od “temperatu-re kaskade”3. ZaključakU radu su prikazani rezultati termomehaničke analize rada kaskadne toplotne pumpe voda–voda namenjene za pri-menu u sistemima grejanja. Toplotna pumpa je predviđena za eksploataciju subgeotermalnih voda u Srbiji. Za različite kombinacije fluida u niskotemperaturnoj i visokotemperatur-noj kaskadi i poznatu minimalnu i maksimalnu temperaturu između kojih radi toplotna pumpa, određivani su tempe-raturni režimi rada u međurazmenjivaču toplote koji daju maksimalnu vrednost faktora grejanja kaskadne toplot-ne pumpe. Na osnovu dobijenih rezultata dobijeno je da je R717 (amonijak) najpovoljniji radni fluid u niskotemperatur-950 55 60 65 70 75 803,03,54,04,55,0ε gmaxtKd2  [ o C]twul  = 16 °C  (R717+R134a)10 15 20 25 303,03,54,04,5twul  [ °C]tKd2  = 75 °C  (R717+R134a)ε gmaxa)                           b)Slika 4. Zavisnost maksimalnog faktora grejanja toplotne pumpe od temperature a) podzemne vode, b) kondenzacije tKd,242kgh 2 • 2010skom kolu i R134a u visokotemperaturskom kolu kaskadne toplotne pumpe. Za različite radne fluide i temperaturne re-žime analizirane su i vrednosti stepena sabijanja. Komenta-risana su ograničenja i dometi izvršene analize.40 45 50 55 60 65123456tR2 = tKd1 – 7 °Ctwul  = 16 °C tKd2  = 75 °C tKd1  [ oC] (R134a) (R290) (R407C) (R717)Stepen sabijanjaSlika 5. Zavisnost stepena sabijanja niskotemperaturskog i visoko-temperaturskog kola toplotne pumpe pumpe od “temperature ka-skade“4. Literatura[1]  Milenić, D., P. Vasiljević, A. Vranješ, Criteria for use of groundwater as renewable energy source in ge-othermal heat pump systems for building heating/cooling purposes, Energy and Buildings, doi:10.1016/j.enbuild.2009.11.002. [2]  Goričanec, D., A. Saljnikov, D. Antonijević, j. Kro-pe, M. Komatina, Hydrogeothermal cascade heat pump economic and ecologic appropriacy, I­nternational Conference on Renewable Energy and Power Quality (ICREPQ’09) Valencia, Spain, April 2009.[3]  *** Optimizacija energetskog iskorišćavanja subgeoter-malnih vodenih resursa, Tehnički deo Izveštaja, pro-jekat tehnološkog razvoja EE-18008, Ministarstvo za nauku i tehnološki razvoj Republike Srbije, 2008–2009.[4]  Stene, J., Design and application of ammonia heat pump systems for heating and cooling of non-residental buildings, 8th I­I­R Gustav Lorentzen Conference on Na-tural Working Fluids, Copenhagen, 2008.[5]  *** Energetska efikasnost u zgradarstvu – Agencija za energetsku efikasnost Republike Srbije, Build br 3, 2007. Beograd, /www.buildmagazin.com[6]  Markoski, M., Rashladni uređaji, Mašinski fakultet, Be-ograd, 2006.[7]  Sanner, B., Current Status of Ground Source Heat Pumps in Europe, 9th I­nternational Conference on Thermal Energy Storage, Warsaw, Poland, September 2003.[8]  Gordon, J. M., K. C. Ng, Cool Thermodynamics, Cam-bridge I­nternational Science Publishing, Cornwall, En-gland, 2001.kghOglas

Избор расхладних флуида и оптималног режима рада каскадне топлотне пумпе

Machinery - Repository of the Faculty of Mechanical Engineering, University of Belgrade

http://machinery.mas.bg.ac.rs/bitstream/id/12022/KGH casopis 2010.pdf

Избор расхладних флуида и оптималног режима рада каскадне топлотне пумпе

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

machinery

Machinery - Repository of the Faculty of Mechanical Engineering, University of Belgrade