V termodynamike sú obrátené obehy definované ako procesy, ktoré prečerpávajú pracovnú látku z prostredia nižšej energetickej hladiny do prostredia vyššej energetickej hladiny. V kontexte tejto kapitoly sa zameriavame na obrátené obehy, ktoré prečerpávajú teplo z prostredia nižšej teploty do prostredia vyššej teploty. Tieto procesy, v súlade s 2. termodynamickým zákonom, vyžadujú dodanie mechanickej práce.
Každý obrátený obeh na jednej strane odoberá teplo z prostredia nižšej teploty, čím chladí, a na druhej strane dodáva teplo do prostredia vyššej teploty, čím vykuruje. Podľa toho, ktorá funkcia je pre nás podstatná, hovoríme buď o chladiacich zariadeniach alebo o tepelných čerpadlách. Pracovná látka, s ktorou sa obeh realizuje, sa nazýva chladivo.
Existuje niekoľko desiatok prakticky používaných chladív. Ich výber závisí od teplôt T1 (ochladzovaný priestor) a T2 (otepľovaný priestor), medzi ktorými má obeh pracovať. Líšia sa medzi sebou chemickým zložením a závislosťou teploty bodu varu od tlaku. Diagramy pár rôznych chladív majú kvalitatívne podobné priebehy ako diagram vodnej pary.
Učebným cieľom tejto kapitoly je podrobné zvládnutie problematiky obrátených obehov a ich využitia pri výrobe tepla a v chladiarenstve. Čitateľ by mal zvládnuť problematiku týchto tepelných obehov, ako aj postupov vykonania ich tepelnej bilancie.
Carnotov obeh ako ideál pre obrátené obehy
Rovnako ako pri priamych obehoch, aj pre obrátené obehy medzi dvomi teplotami je Carnotov obeh teoreticky optimálny. Realizuje sa v oblasti pár chladiva a je zložený z dvoch izotermických a dvoch adiabatických zmien. Možno ho realizovať v oblasti mokrej pary (chladiva), kde izotermy sú totožné s izobarami.
V T-s diagrame sú pre jednoduchosť zakreslené ideálne adiabatické zmeny. Reverzný Carnotov cyklus, alebo vratný Carnotov obeh, je ideálny tepelný obeh pozostávajúci z vratných zmien, ktorý prebieha medzi dvoma zásobníkmi tepla rôznej teploty. Obrátený Carnotov cyklus však prebieha v p-V diagrame proti smeru hodinových ručičiek.
Fázy obráteného Carnotovho obehu
- 1-2, Adiabatická kompresia: Pracovná látka (chladivo) sa stlačí z tlaku p1 na tlak p2. Súčasne sa zvýši teplota T1 na T2. Realizuje sa v dokonale tepelne izolovanom kompresore. Pri tomto rozpínaní plyn vykoná na úkor dodaného tepla prácu.
- 2-3, Izotermická kompresia: Prebieha pri teplote T2 (a tlaku p2). V oblasti mokrej pary predstavuje kondenzáciu sýtej pary na dolnú medznú krivku (bod varu pri danom tlaku). Realizuje sa odoberaním tepla q2 vo výmenníku, ktorý nazývame kondenzátor.
- 3-4, Adiabatická expanzia: Prebieha z tlaku p2 na tlak p1. Súčasne sa zníži teplota z T2 na T1. Realizuje sa v dokonale izolovanej expanznej turbíne.
- 4-1, Izotermická expanzia: Prebieha pri teplote T1 (a tlaku p1). V oblasti mokrej pary predstavuje vyparovanie mokrej pary pri teplote bodu varu pri danom tlaku na stav sýtej pary. Realizuje sa dodávkou tepla q1 vo výmenníku, ktorý nazývame výparník.
Obeh sa realizuje s vhodne zvolenou pracovnou látkou (chladivom), ktorá sa pri danej teplote T1 a tlaku p1 dodávkou tepla odparuje a pri danej teplote T2 a tlaku p2 odoberaním tepla kondenzuje. Danými teplotami T1 a T2 sú dané aj tlaky p1 a p2 (izotermy sú totožné s izobarami v oblasti mokrej pary).
V T-s diagrame má Carnotov obeh s mokrou parou rovnaký geometrický tvar ako s ideálnym plynom. Spotrebúva mechanickú prácu a prenáša teplo zo zásobníka s nižšou teplotou do zásobníka s vyššou teplotou. Energetická bilancia je rovnaká ako pri priamom Carnotovom cykle, s rozdielom výmeny znamienok pre privedené/odvedené teplo a spotrebovanú/dodanú prácu. Namiesto účinnosti sa pre hodnotenie používajú dva parametre, v závislosti od účelu tepelného stroja: chladiaci faktor a vykurovací faktor obráteného Carnotovho cyklu. Tieto sú maximálne dosiahnuteľné koeficienty výkonnosti pre akýkoľvek tepelný stroj pracujúci medzi zásobníkmi tepla s uvedenými teplotami.
Obrátený Carnotov cyklus
Obrátený Rankinov obeh: Teoretický obeh kompresorových chladiacich zariadení a tepelných čerpadiel
Obrátený Rankinov obeh je obeh, ktorého princíp možno využiť od najmenších po najväčšie výkony a chladiace teploty t1 až do -60°C. V chladiarenskej technike sa takmer výlučne používa p-i diagram, v ktorom sú zakreslené čiary s = const. Náhradou expanzného stroja redukčným ventilom sa líši obrátený Rankinov obeh od obehu Carnotovho.
Zjednodušený priebeh v Rankinovom obehu
- Adiabatická kompresia: Teplo sa nesdílí s okolím.
- Izotermická expanzia: Plyn prijíma teplo z horkého zásobníka a koná prácu. Izotermický dej je tu použitý preto, že sa pri ňom všetko teplo transformuje do práce, nie do zvýšenia teploty a vnútornej energie.
- Adiabatická expanzia: Plyn adiabaticky expanduje. Rovnaká práca, ktorá sa spotrebovala pri kompresii, sa teraz vykoná.
- Izotermická kompresia: Plyn sa izotermicky skomprimuje tým, že odovzdá teplo studenému zásobníku.
Využitie obráteného Rankinovho obehu
Chladiace zariadenia
Schéma využitia obráteného Rankinovho obehu pre chladenie demonštruje, ako obrátený obeh na jednej strane odoberá teplo q1 a na druhej strane dodáva teplo q2. Každá chladnička súčasne chladí aj vykuruje. Nižšia teplota t1 (napr. -30°C) je daná požiadavkami na chladenie. Táto teplota je podstatne nižšia ako teplota okolia t0 (napr. +20°C).
Teplo q1, ktoré vniklo do chladeného priestoru a je absorbované chladivom vo výparníku pri veľmi nízkej teplote t1, musíme z chladeného priestoru a z chladiva dostať von do okolia. Aby bol tento proces možný, musíme zvýšiť teplotu chladiva nad teplotu okolia. Zvýšenie teploty z t1 na t2 (a súčasne zvýšenie tlaku z p1 na p2) realizujeme kompresorom.
Pri teplote t2 (napr. 40°C), vyššej ako je teplota okolia t0, prechádza teplo z chladiva do okolia. V kondenzátore pri teplote t2 a tlaku p2 v dôsledku odoberania tepla q2 (chladenia) prebieha kondenzácia pri konštantnej teplote t2. Aby mohlo chladivo v nasledujúcej časti obehu odoberať teplo z chladeného priestoru pri nízkej teplote, treba znížiť jeho teplotu z t2 na t1 pomocou redukčného ventilu. Treba mať na pamäti blokovú schému obráteného obehu a zákon zachovania energie, podľa ktorého q2 = a + q1, teda teplo na výstupe q2 je zväčšené oproti teplu na vstupe q1 o mechanickú prácu a dodanú v kompresore.
Tepelné čerpadlá
Príklad využitia obráteného Rankinovho obehu vo funkcii tepelného čerpadla pre ohrev teplej úžitkovej vody (TÚV) ilustruje, ako sa teplo q1 odoberá zo vzduchu (jeho ochladzovaním) a teplo q2 slúži na ohrev vody. Tepelné čerpadlo je alternatívou vykurovania klasickým palivom.
Kompresor tepelného čerpadla najčastejšie poháňa elektrická energia. Z hľadiska primárnych zdrojov energie bude tepelné čerpadlo ekvivalentné klasickému kúreniu, ak bude dodávať do vykurovacieho systému rovnaké teplo ako priame spaľovanie.
Ekonomické aspekty tepelných čerpadiel
Pri celkovom ekonomickom bilancovaní treba brať do úvahy aj investičné náklady, ktoré sú pre tepelné čerpadlá niekoľkokrát vyššie ako náklady na kotol. Uvedené ekonomické hodnoty platia pre tepelné čerpadlá pracujúce na princípe obráteného parného Rankinovho obehu, ktorý sa využíva vo viac ako 90% prípadoch.
Charakteristika tepelného čerpadla má opačný priebeh, ako by sme potrebovali. Pri teplotách pod 0°C pracuje tepelné čerpadlo s nízkym vykurovacím faktorom. Deficit výkonu pri nízkych teplotách okolia treba preto pokryť klasickým kúrením.
Zdroje nízko potenciálneho tepla
Zberač nízko potenciálneho tepla nemusí byť umiestnený vo vzduchu, ale aj vo vode (rieke, jazere) alebo zakopaný v zemi, prípadne aj kombinácie s ďalšími zdrojmi (napr. slnečné žiarenie).
Tepelné čerpadlo pracuje podľa obráteného Rankinovho obehu, kde T2 a T1 sú (pri zanedbaní nutných teplotných spádov) teplota vykurovacieho média (T2) a nízko potenciálneho zdroja tepla (T1). Čím menší je rozdiel T2 - T1, tým väčší je vykurovací faktor.
Problémy spojené so vzduchom ako zdrojom nízko potenciálneho tepla spočívajú v tom, že pri podnulových teplotách okolia nestačí ekonomicky pokryť potrebu tepla. Nízka efektivita pri podnulových teplotách vonkajšieho vzduchu nastáva vtedy, ak výparník možno umiestniť v priestoroch, v ktorých teplota neklesá pod 0°C (napr. v pivnici). Priestory musia byť dostatočne rozmerné, aby v dôsledku činnosti výparníka neklesla teplota pod 0°C a nedošlo k zamrznutiu rozvodov vody. Teplo odobraté výparníkom sa musí nahradiť teplom preneseným z vonkajšej vody cez základy.
Využitie povrchovej vody, napr. z rieky, je možné, ale voda ochladená o ~4K sa do rieky vypúšťa. Problém je v tom, že v zimnom období môže teplota vody v rieke klesať blízko k 0°C. Pri ochladení vo výparníku o 4K by zamŕzala a je preto použiteľná len ak je jej teplota vyššia ako 5°C. V našich klimatických podmienkach to celoročne neplatí. Studničná voda sa nachádza zvyčajne v nezamŕzajúcej hĺbke, t.j. v našich podmienkach asi 0,8m. Ak ju čerpáme z väčšej hĺbky, kde teplota celoročne neklesá pod 0°C, je to výhodnejšie.
Absorpčné obehy
Pohonnou energiou absorbčného obehu je energia tepelná, získaná spaľovaním alebo odporovým elektrickým ohrevom. Je výhodné najmä tam, kde je k dispozícii odpadové teplo, odberaná para a pod., takže v porovnaní s kompresorovým zariadením možno ušetriť elektrickú energiu, potrebnú pre pohon kompresora.
Obeh pracuje s dvojicou chladiacich médií a najčastejšie sa používa dvojica čpavok a voda. Obeh má dva okruhy: okruh chladiaceho média (plná čiara) a okruh roztoku (bodkočiarkovaná čiara).
Funkcia absorpčného obehu ako tepelného čerpadla
Chladivo (NH3) na výstupe z vypudzovača je v plynnom stave a má teplotu vyžadovanú pre kúrenie. Odovzdáva teplo Q1 v kondenzátore, čím kondenzuje, v redukčnom ventile sa zníži tlak a teplota pod teplotu okolia. Vo výparníku prijíma teplo okolia Q1, pričom sa odparí. Ďalej vstupuje do absorbéra naplneného vodou, v ktorej sa čpavok pohltí pri súčasnom uvoľnení tepla Q2,2.
Obehovým čerpadlom sa roztok, bohatý na čpavok, dopravuje do vypudzovača, v ktorom sa prostredníctvom dodaného tepla Qz (získaného napr. spaľovaním) zohrieva, čpavok sa uvoľňuje a znova prúdi do okruhu chladiva. Elektrická energia na pohon obehového čerpadla je zanedbateľná.
Ak sa pohonná tepelná energia získava z elektrickej energie, je ekonomická hodnota rovnaká ako pri parnom obehu s kompresorom, poháňaným elektrickou energiou. U absorpčných chladničiek, používaných v domácnosti, sa používajú tzv. difúzne obehy, v ktorých okrem chladiva a absorbentu je ešte potrebná látka, do ktorej prostredia sa chladivo odparuje.
Skvapalňovanie plynov a nízkoteplotné chladenie
Pre chladenie látok na teploty hlboko pod bodom mrazu sa používajú rôzne systémy. Ako príklad si uvedieme Hampsonovo zariadenie, slúžiace ku skvapalňovaniu plynov (napr. vzduchu).
Kompresorom sa nasáva vzduch, ktorý je zmesou vzduchu braného z atmosféry a vracajúceho sa chladnejšieho vzduchu. Kompresia je štvorstupňová s medzichladením. Po kompresii a čiastočnom ochladení chladiacou vodou vedie stlačený vzduch do výmenníka, v ktorom sa ďalej ochladzuje chladným vzduchom, odchádzajúcim z odlučovača. Zmes sa zavedie do odlučovača, kde sa oddelí kvapalná fáza (asi 10% z celkového množstva).
Chladivá pre obrátené obehy
Obrátené obehy pracujú pri rôznych teplotách t1 a t2 daných požiadavkami na teplotu chladenia t1 (v prípade chladiacich zariadení) resp. na teplotu vykurovacieho systému t2 (v prípade tepelných čerpadiel). Aby bolo možné splniť uvedené požiadavky pri rôznych teplotách t1 a t2, používajú sa u obrátených obehoch desiatky rôznych chladiacich médií (chladív), ktoré sa medzi sebou líšia závislosťou teploty bodu varu od tlaku a samozrejme chemickým zložením.
Medzi chladivá patria napr. čpavok NH3, oxid uhličitý CO2, metylchlorid CH3Cl, v kompresorových obehoch to boli donedávna rôzne halogenizované chlorovodíky zvané freóny a mnoho ďalších.
Predpokladajme, že obeh pracuje medzi teplotami t1 a t2 s médiom A. Týmito teplotami sú jednoznačne dané tlaky vyparovania - p1A a kondenzácie - p2A. S rovnakým chladiacim médiom A treba zmeniť tlaky, medzi ktorými obeh pracuje z p1A a p2A na p1A' a p2A'.
Technológia teplej vody s tepelným čerpadlom využívajúca reverzný Carnotov cyklus
Táto technológia využíva vzduchový kompresor na pohon chladiva na vykonanie reverzného Carnotovho cyklu a prostredníctvom kompresora a chladiva prevádza veľké množstvo nízko kvalitných zdrojov tepla (teplo vo vzduchu) na vysoko využiteľnú tepelnú energiu vody na výrobu teplej úžitkovej vody. Jeho výstupná energia je viac ako trojnásobkom vstupnej elektrickej energie a v priemysle je oslavovaný ako ohrievač vody štvrtej generácie.
Tento nový typ ohrievača vody sa spravidla skladá z teplovodného tepelného čerpadla so vzduchovou energiou, zásobníka vody na ochranu tepla, vodného čerpadla a zodpovedajúcich potrubných ventilov. Teplovodná jednotka tepelného čerpadla vzduch-energia sa spravidla skladá z kompresora, výmenníka tepla na strane vody, výmenníka tepla na strane vzduchu, škrtiaceho zariadenia, nízkotlakového zásobníka kvapaliny a regulačného ventilu vodných ciest.
Inštalácia nie je obmedzená budovami ani podlahami. Nie je obmedzený klimatickými podmienkami, môže byť použitý ako rodinné centrum zásobovania teplou vodou alebo kolektívne na dodávku teplej vody pre jednotky. Vďaka použitiu nových patentovaných technológií v rôznych aspektoch životného prostredia je výrobok nielen bezpečný a pohodlný, ale aj ekologický a energeticky úsporný.
Pracovný princíp ohrievača vody s tepelným čerpadlom
Podľa základného princípu reverzného Carnotovho cyklu:
- Nízkoteplotné a nízkotlakové chladivo sa škrtí a odtlakuje pomocou expanzného mechanizmu, vstúpi do výmenníka vzduchu, aby sa odparil a absorboval teplo a absorboval zo vzduchu veľké množstvo tepla Q2.
- Chladivo po odparení a absorbovaní tepla vstupuje do kompresora v plynnej forme a po stlačení sa stane chladivom s vysokou teplotou a vysokým tlakom (teplo obsiahnuté v chladive je rozdelené na dve časti: jedna časť je teplo absorbované zo vzduchu Q2, jedna časť je teplo Q1, na ktoré sa elektrická energia vstupujúca do kompresora premieňa pri stlačení chladiva).
- Stlačené vysokoteplotné a vysokotlakové chladivo vstupuje do výmenníka tepla a uvoľňuje svoje teplo (Q1+Q2) do studenej vody vstupujúcej do výmenníka tepla. Studená voda sa ohreje na 60 °C a priamo vstupuje do nádrže na izolačnú vodu na uskladnenie pre užívateľov.
- Chladivo, ktoré uvoľnilo teplo, vstupuje do expanzného mechanizmu v kvapalnej forme, pričom škrtí a znižuje tlak, takže cirkuluje bez prerušenia.
Teplo získané studenou vodou Q3 = teplo absorbované chladivom zo vzduchu Q2 + teplo Q1 premenené na elektrickú energiu poháňajúcu kompresor. Za štandardných prevádzkových podmienok: Q2 = 3,6Q1, to znamená, že 1 časť elektriny sa spotrebuje a získa sa 4,6 dielu tepla. Jeden diel elektrickej energie môže absorbovať 3 diely energie vzduchu, dodávajú sa 4 diely. Systém tepelnej energie a teplá voda je preto energeticky úsporná a ekologická nová technológia s veľkým vývojovým a aplikačným potenciálom, ktorá má veľkú praktickú hodnotu.
tags: #obrateny #carnotov #obeh