GEOTERMIKUS ENERGIAHASZNOSÍTÁS "NORDIC®” HŐSZIVATTYÚKKAL Maritime Geothermal Ltd. hivatalos magyarországi forgalmazója A Copyright, 1996 © Dale Carnegie & Associates, Inc.

E.mail: geowatt@nap-szam.hu Telephelyei: I. 5600 Békéscsaba Szabó D.u.25. Tel./fax.:(66)451234 II. 5700 Gyula Vásárhelyi P.u.3. Tel./fax.:(66)463572 E.mail: geowatt@nap-szam.hu www.geowatt.hu

Tervezett előadások, időbeosztás 1000 - 1050 A hőszivattyúkról általában 1100 - 1150 A „NORDIC” GHP-k felépítése, típusai ,paraméterei. 1200 - 1250 Munkafelmérés,ajánlatkészítés, 1300 - 1400 Ebéd 1410 -1500 A GHP-s rendszerek tervezése, gazdaságossági kérdések

1510 - 1600 A „W” és „PC” típusú hőszivattyúk 1510 - 1600 A „W” és „PC” típusú hőszivattyúk fűtési rendszerhez illesztése,vezérlése 1610 -1700 Reklám,felmerült problémák

1.Hőszivattyúkról általában 1.1.A hőszivattyúk elvi felépítése Hőszivattyú Hűtőgép A hőszivattyú olyan gépi berendezés, amely az alacsonyabb hőfokszintről külső energia bevezetésével a magasabb hőfokszintre hőt szállít. A hőszivattyú az elvi működés és hőtani folyamat szempontjából egyenlő a gőznemű közvetítő közeggel üzemelő hűtőgéppel,de attól rendeltetésében eltér,ezért az alsó és felső hőfokszint eltolódik a magasabb hőmérsékletek irányába. Hőszivattyúnál az alsó hőfokszint a hőforrás, mely lehet folyóvíz,környezeti levegő, hulladékhő ,napenergia, vagy geotermikus energia.A hűtőgépeknél az alsó hőforrás a hűtőszekrény. Részei:elpárologtató- kompreszor-kondenzátor-expanziós henger (fojtószelep). Hűtőközeg: Az alacsony hőfokszinten párolgó folyadékok,illetve ezek nedvesgőz elegyei kiválóan alkalmasak hűtőközegnek,mivel a hőfelvétel és hőleadás közben a hőmérsékletük állandó marad,csak halmazállapotuk változik meg. Hűtőközegekkel szemen támasztott követelmények: - párolgáshője nagy legyen - a gőz fajtérfogata kicsi legyen(kis gépméretek) - az elpárolgási hőm.tartozó gőznyomás ne legyen lényegesen az atmoszférikus alatt(tömítési problémák).-szerk.anyagokat ne támadja meg,-ne legyen tűzveszélyes és mérgező stb. R407C

1.1.1.Fűtési/hűtési körök Fűtési kör A fűtő és hűtő kör egy gépbe integrálva jelenik meg a HACW tip.Nordic GHP-ban. Ezt jól szemlélteti a fenti ábra ahol a fűtési kör ,- valamint a következő ábra,ahol a hűtési kör működése közbeni folyamata látható.A hűtőközeg váltószeleppel a körforgás irányát megváltoztatva felcserélődik a kondenzátor illetve az evaporátor.

Hűtési kör

1.2Hőszivattyúk működési elve 1.2.1.Gőznemű hűtőközeggel üzemelő kompresszoros hűtőgép /Carnot-ciklus/ Az ammónia: R 717 0,04119 bar nyomáson elpárologtatva -50C-on hűl le. Telítetlen klórozott szénhidrogén: R22 Klórt nem tartalmazó szénhidrogén : R407C !

1. 2. 1. 1. CARNOT körfolyamat lgP-i diagramja. qk=i2-i3 A leadott 1.2.1.1.CARNOT körfolyamat lgP-i diagramja qk=i2-i3 A leadott hőmennyiség =q0/w= T0/T-T0 A hütö körfolyamat fajlagos hűtőteljesítménye c= qc/w Fajlagos fűtőteljesítmény A Carnot körfolyamat Egyfokozatú kompresszió és expanziós henger alakalmazása: lgP-i diagram ban a területek helyett(T-S) egyene szakaszok jelzik a ki és bevitt hőmennyiségeket. A /j/ elpárologtatóban(5.old) a hűtőközeg elpárolog /párolgás alatt a hőfok és nyomás állandó marad/,miközben párolgáshőjét a hűtendő anyagtól vonja el. A nedves gőz halmazállapotú közeget a /K/ kompresszor összesűríti,mely a /H/ kondenzátorban kondenzálódik,hőtartalmát leadja,végül az /E/ expanziós hengerben a szükséges alacsony hőfokszintre kerül. Az adiabatikus expanzió alakalmával a közeg entalpiájának egy része munkává alakul át és mint hőenergia a rendszerből eltűnik. Az expanziónak olyan mértékűnek kell lennie,hogy a közeg hőfoka alacsonyabb legyen a hűtendő közegénél. Adiabatikus kompresszió esetén pedig a hűtőközeg hőmérsékletét a természetes hűtőközeg hőmérséklete fölé emeljük. Adiabatikus állapotváltozás: Egy munkahengert tökéletesen szigetelünk a környezetétől,vagy az állapotváltozást olyan gyorsan hajtjuk végre,hogy a munkavégző közeg és környezete között hőcsere nem jöhet létre. Ez azt jelenti,hogy az adiabatikus expanzió munkája teljes egészében a belsőenergiából fedeződik. W1,2=cv• /T1-T2 / A kezdeti állapotjelző 1,jelölve. Az expanzió munkája pozitív,mert a T1>T2,;,,a kompressziós munka pedig negatív. Az =T0/T-T0 képletből látható,hogy a Carnot ciklus hatásfoka csak a hőfokhatároktól függ és értéke annál jobb(nagyobb) minél kisebb a hőmérséklet különbség. qo=i1-i4 (KJ/kg) Az egységnyi tömegű/1kg/ közvetítőközeggel létesíthető hűtőteljesítmény wk=i2-i1 (KJ/kg) Adiabatikus kompresszióhoz szükséges technikai munka we= i3-i4 (KJ/kg) Adiabatikus expanzióból visszanyert technikai munka w= wk -we A hűtőfolyamat fenntartásához szükséges munka

1.2.1.2.CARNOT körfolyamat T-S diagramja T-S diagamban az állapotváltozást jelentő görbe alatti terület a közölt,vagy elvont hőmennyiséggel arányos. S (KJ/kgK) A körfolyamat két izotermából és két adiabatából áll. 4,1 vonal mentén izotermikus expanzió következik be. A bevitt hőmennyiség az a,b,1,4, területtel arányos. 2,3 vonal mentén izotermikus kompresszió következik be. Az elvont hőmennyiség az a,b,2,3, területtel arányos. Entrópia: (Clausius szerint.) Az entrópia a hőegyensúlyban levő testeknek olyan tulajdonsága amely adiabatikusan reverzibilis folyamat közben nem változik. Minden más esetben entrópia változás van.

1.2.2.Egyfokozatú kompresszoros fojtásos,száraz ciklus lgp-i diagramja A gyakorlatban Carnot-ciklust nem használnak. Az expanziós berendezést fojtás helyettesíti, a kompresszor pedig nem nedves gőzt,hanem száraz telített,vagy a gyakorlatban kissé túlhevített gőzt szív be. Kompresszió: w= h2’-h’1 (izentropikus állapotváltozás) Kondenzáció:A kondenzátorban a túlhevített gőz a lehűlés során telített száraz gőz lesz . Fojtás: Ezen állapotváltozás során munkát nem nyerünk. Az expanzió végén 4 állapotú nedves gőzt kapunk. Elpárologtatás: A nedves gőzben levő folyadék az elpárologtatóban állandó p0 nyomáson hőt vesz fel a hűtendő közegből,amelynek hőmérséklete eközben csökken.A hűtőközegben levő folyadékfázis a felvett hő hatására elpárolog. Kompresszió: w= i2’-i’1 (izentropikus állapotváltozás) Kondenzáció: qk= i2+i1 Fojtás: Izentalpikus i=áll. Elpárologtatás: q0=i1-i4

1.2.2.1.Egyfokozatú kompresszoros fojtásos,száraz ciklus T-S diagramja

1.2.3.Carnot ciklus összehasonlítása a.,f=q0f/wf<c q0f=q0-w csökken a c4’4b területnek megfelelöen wf= q-q0 nö a c4’4b területnek megfelelöen b., t= q0t /wt q0t= q0+ q0 nö a c1’ 1a területnek megfelelöen wt=w+w nö a c2’ 2a területtel. Carnot ciklus összehasonlítása a folytásos és száraz(túlhevített)ciklussal A fojtás miatti eltérés: -az egységnyi hűtőközeggel elvont hő q0f csökken a c4’4b területnek megfelelően - a körfolyamat fenntartásához szükséges munka wf nő a c4’4b területnek megfelelően -előzőek miatt a f fajlagos hűtőteljesítmény romlik a Carnot ciklushoz képest.

Q0= hűtőteljesítmény [KW] P= bevitt teljesítmény [KW] 1.2.4.Energiamérleg Q0+P = Qc+Qveszt Q0= hűtőteljesítmény [KW] P= bevitt teljesítmény [KW] Qc= hőteljesítmény [KW] Qveszt= hőveszteség [KW] Qc= Q0+a• P ; Qveszt= (1-a) • P A kompresszor hővesztesége következtében nem a teljes P bevitt energia alakul át Qc kondenzátorenergiává,hanem csak egy a tényezővel csökkentett érték. a=1 veszteség nélküli ideális esetben a=0.9 hermetikus kompresszor estében a=0.8 nyitott kompresszor esetében

K=valós fajlagos hütöteljesítmény 1.2.5.Jósági fok CK=K/KC K=valós fajlagos hütöteljesítmény KC =ideális fajlagos hütöteljesítmény CK=0.5-0.6 (hideggözös - kompressziós ber.) Energy Efficiency Ratio EER= Hütötelj.BTU/h/telj.felvétel W-ban Coefficient of Performance COP= Hasznos telj.W/telj.felvétel W Jósági fok A belső folyamat egyszerűen számolható fajlagos hűtőteljesítménye a gyakorlatban nem érhető el.A valós folyamatok minőségének megítélésére szolgál a valós és az ideális fajlagos hűtőteljesítmény hányadosa,amit exergetikai jósági foknak nevezünk. Az angolszász mértékrendszerben a fajlagos hűtőteljesítmény helyett a következő fogalom szerepel: EER Ezt a fogalmat azonban egyre inkább felváltja a hőszivattyúkra már ismert hányados: COP amely megegyezik a már ismertetett k fajlagos hűtőteljesítménnyel.

1.2.6. Copeland Scroll kompreszorok Scroll kompresszor Eredete A spirál kompresszorokkal 1905-ben Francia mérnök Jean Creux kezdett el foglalkozni.A technológia fejletlensége miatt a működő prototípusnak várnia kellett a század II.feléig. Ennek a kompresszornak az elkészítése zárt szerkezeti megoldást igényelt,többek között azért,mert nagy precizitású gépi szerszámokkal lehetett előállítani,amelyeket a háború utáni években fejlesztettek ki. Ezen kompresszorok működési elve alapvetően különbözik a hagyományos dugattyús kompresszorokétól. Ennek következtében számos előnye van mind működésben,mind szerkezetében,mind funkciójában. Ezen spirál kompresszorok megjelenése radikális áttörést jelent a technológiában,ami jelentősen megváltoztatta a szerkezetet a teljesítményt és az élettartamot. Fontos befolyással lesz a légkondicionálásban a hőszivattyúk alkalmazásában és a hűtőiparban a XXI.században. Két archimedesi spirálból áll. A felső spirál mozdulatlan,az alsó excentrikusan elmozdul a hajtó tengelyen és leír egy orbitális pályát.

1.2.6.1. Copeland Scroll kompreszorok működési elve Spirál kompresszor működési elve: Az egyik spirál pozícionálva van belül,és így egy sorozatos folyton szűkülő rést alkot. A kompresszió folyamán a felső spirál mozdulatlan és az alatta levő excentrikusan elmozdul a hajtó tengelyen és leír egy orbitális pályát. Ily módon a hűtőgázt belekényszeríti egy szűkülő résbe,amelyek progresszíven , hatékonyan bezáródnak amint elérik a spirál közepét és így összenyomja a gázt. Amikor ezek a rések elérik a spirál közepét a gáz eléri a végnyomását és elhagyja a kompresszort a nem mozgó spirálban levő központi nyomócsonkon.(köv.ábra) Jellegzetes tulajdonságai: 1. Szívó és nyomószelep hiánya Ez két fontos előnyt jelent a dugattyús kompresszorral szemben: a., Kiküszöböli a szelepeken történő nyomásesést amely jelentős emelkedést jelent a körfolyamat teljesítmény tényezőjében. b.,Kiküszöböli a zajt,amit a szelep okoz. 2. A holttér kiküszöbölése miatt a volumetrikus hatásfok közel 100%! 3. Kevesebb alkatrész amely kevesebb meghibásodást okoz.

1.2.6.1. Copeland scroll kompreszorok kialakítása. A 4.ábra egy tipikus Copeland-i spirált mutat. Az elektromos motor a ház alsó részében található. A hajtótengely excentrikusan működve keringteti a szabad/laza spirált,ami rátekeredik az álló spirálra a kompresszor felső részén.A metszetben a spirál kompresszor látható a dupla inverz merevségi elv szerint elkészítve. A felső spirál álló, az alatt az alsó spirál kering a fixen belül.A szívógáz bemegy a motor szellőzés felett, így a szívógázt csak elhanyagolhatóan melegíti a motor .Más kompresszoroktól eltérően a hajtótengely nem közvetlenül csatlakozik a keringő spirálhoz. Az erőátvitel a motortól excentrikusan történik a tengely és a spirál közepe között-hasonlóan egy görbülethez- ami előidézi a mozgó spirál keringését az álló spirál körül,a külső széle mentén.A hűtőgáz csatlakozó szívóvezeték a motor felett helyezkedik el,s így csak részben hűtött a gáz által. Normál működési körülmények között a keringő spirál nyomja tovább az álló spirált centrifugális erővel ami ugyanakkor gáznyomással szemben helyezkedik el. A két ellentétes erő kombinált hatására van tervezve,hogy tartalmazza az optimális tömítést a két spirál között nagyon alacsony felületi nyomáson.,,-ami nincs megszakítva a folyadék jelenlétével vagy idegen anyaggal. Az axiális kontaktus erők a két spirál között főképp a nyomás által kontrolláltak - a gáz által kifejtett nyomás- az álló spirálon keresztül felhasználva egy flexibilis kompenzáló szerelvényt.

1.2.6.2. Copeland Scroll kompreszorok mechanikai és műszaki jellemzői. Ennek az egyensúlyi kölcsönhatásoknak van korlátozó hatása mind a mozgó spirál síkba történő nyomására,mind a súrlódási erőre a két spirál között. Így a folyamatos axiális kapcsolat mentes a kopástól, az energiafogyasztás jelentősen alacsonyabb összehasonlítva más kompresszorokkal,amelyeknél a spirálok mereven rögzítettek és szilárd motorhajtásúak. A két spirál inverz merevsége három dolgot jelent- jól méretezett, a kompresszió folyamán el tudnak különülni mind radiálisan,mind axiális irányba. Ez előfordul ha fagyott folyadék vagy egy kis szennyeződés véletlenül bekerül. Ilyen szennyeződések miatt más típusú kompresszorok meghibásodhatnak,az inverz merevség jelensége biztosítja azt,hogy a spirálok radiálisan elkülönüljenek-vagy extrém esetben az álló spirál felemelkedik addig,hogy a folyadék,vagy a szennyeződés kiürüljenek. Így nem romlik el a kompresszor. Ez a folyamat látható az 5.-6.ábrán. Az 5. Ábra a radiális inverz merevséget mutatja,míg a 6.ábra az axiálisat, amelynél előfordulhat extrém eset. A legtöbb esetben a hűtő körfolyamatban nem szükséges víztelenítő vagy folyadéktartály amit a szívó oldalon szerelnek.

1.2.6.2. Copeland Scroll kompreszorok mechanikai és műszaki jellemzői. Kopásmentesség és fokozott tömítettségi integritás 1.-4.-ábra mutatja,hogy a két spirál kapcsolatban van min radiálisan/felülettől-felületig/,mind axiálisan/az egyik spirál szélétől a másik agyáig/ egy olajhártyaréteggel a felszínén s így semmilyen kiegészítő tömítés nem szükséges. Nem ez a helyzet más kompresszor gyártmányoknál,ahokl a tömítés el van helyezve egy horoyban a spirál széle mentén (7.ábra). A tömítések elkerülhetetlenül kopnak és nyilvánvalóan érdemes őket óvni a kopástól. De van itt még más is. A Copeland kompresszor a flank to flank elv miatt működés közben fokozatosan javítja a folyékony tömítést a két spirál között tükrösítésükkel.

1.2.6.3. Copeland Scroll kompreszorok volumetrikus hatásfoka. A scroll és dugattyús kompresszorok volumetrikus hatásfokának összehasonlítása: A spirál kompresszorok volumetrikus hatásfoka nagyon magas,közel 100% , így lényegesen kisebb kompresszort kell beépíteni,dugattyús kompresszorokkal összehasonlítva. A térfogati hatásfok mutatja a kompresszorba bemenő gáz tényleges mennyisége és a kompresszor sűrítési térfogata közötti viszonyt. A 9.ábra szemlélteti a scroll és a dugattyús kompresszor volumetrikus hatásfokbeli különbségét. Ez a tulajdonság különösen értékes a hőszivattyús rendszerek alkalmazásakor ahol a spirál észrevehetőbben még hatékonyabban működik,mint a dugattyús kompresszor. Volumetrikus(térfogati)hatásfok / kompresszió viszony

1.2.6.4. Copeland Scroll kompreszorok COP értéke. A Copeland Scroll kompresszorok COP értéke. A teljesítménytényező növekedéséhez hozzájárul: 1., Az összenyomott gáz nem tágul újra a sűrítési folyamat végén.( a dugattyús kompresszoroknál ez történik) 2.,Csövek és szelepek hánya a kompresszor belsejében. Mindezen tényezők együttesen azt jelentik,hogy a Copeland kompresszorok jelentős javulást jelentenek az energiaszállítás hatásfokában a hagyományos dugattyús kompresszorokkal szemben. Általában 10-20%-al nagyobb a COP érték,mint a dugattyús kompresszorok esetében, az 1,5-15 HP tartományban. 10.ábra. 10-20% COP érték növekedés,a dugattyús kompresszorokhoz képest!!

1.2.6.4. Copeland Scroll kompreszorok COP értéke. Akkusztikai jellemzők: Egyik legfontosabb tulajdonsága a scroll kompresszoroknak az alacsony zajszintjük a dugattyús készülékhez képest. Csökkentett a hangkibocsátása az alacsony frekvenciájú tartományban ami a legkellemetlenebb a fül számára és legnehezebb a szigetelése. Az ábra mutatja,hogy 160-400 Hz tartomány között a scroll kompresszorok hangszintje jóval alacsonyabb. 1000-4000 Hz között -magasabb frekvencián a scroll kompresszor feltűnően alacsony zajszinttel rendelkezik. Teljes hangerőnél 5 HP dugattyús kompresszor kibocsátása kb.75 dBA,míg a scroll kompresszor kb.70dBA. A kompresszió folyamata egyenletes,ingadozástól mentes , nincsenek szelepek,következésképpen nincs szelep/fészek zaj,nincs rezgő test,mint dugattyús kompresszor esetén. A kompresszor jól szigetelhető akusztikus burkolattal. Az alacsony frekvenciájú tartományban,ami a legkellemetlenebb a fül számára és nehezen szigetelhető -alacsony zajszint!