|
 Se vorbeste tot mai mult in ultimul timp de pompele de caldura. Acesteasunt dispozitivele care au cel mai bun randament cunoscut dintre toate sistemele care produc energie verde. Aici va prezentam un sistem interesant bazat pe o astfel de pompa de caldura. Sistemul a fost gandit de care o persoana care ne-a contactat cu dorinta de a publica aceste informatii pentru ca astfel cei interesati sa poata pune in practica aceasta idee. Informatiile pot foarte usor face obiectul unui brevet. Persoana respectiva, ca si noi de altfel, crede insa ca nu aceasta este calea cea mai buna pentru ca ideile bune sa fie puse in practica. Sunt astfel exemple de idei bune ingropate in brevete care zac neutilizate din diverse motive incepind de mult timp in urma si pana in zilele noastre. Sistemul pare simplu la prima vedere insa nu este chiar asa. Acesta combina doua sisteme cunoscute: cel al pompei de caldura(in cazul de fata sistemul apa/apa care are cel mai bun randament) si sistemul clasic de produs electricitate.
Prezentare
Acest document contine prezentarea, functionarea si constructia unei unitati de producere a energiei electrice bazata pe extractia energiei termice (caldurii) mediului inconjurator. In situatia de fata, prin termenul "caldura mediului inconjurator" intelegem spectrul de temperatura al mediului ambiant superior temperaturii de fierbere a unui agent frigorific folosit in mod curent. De retinut aspectul ca functionarea unei asemenea centrale duce la racirea mediului inconjurator, lucru care poate avea avantaje sau dezavantaje, in functie de zona unde este amplasata.
Avantajul enorm pe care il ofera un asemenea concept este eliminarea ideii de ardere a combustibililor fosili si asigurarea independentei energetice a locuintei (sau localitatii) respective (aceasta depinde de puterea centralei). Ideea de "energie gratuita" este discutabila. Chiar daca nu consuma combustibili fosili sau de alta natura, si aceasta centrala, ca oricare alta, are in constructia ei mecanisme, aparate electrice si/sau echipamente electronice care necesita intretinere si asta inseamna cheltuieli, mai mari sau mai mici. In orice caz, pretul energiei obtinute in acest mod este extrem de mic fata de ceea ce avem in prezent.
Aceasta centrala are la baza functionarii sale randamentul "supraunitar" al pompelor de caldura geotermale folosite in ultimii ani pentru incalzirea locuintelor. Orice instalatie frigorifica cu compresor, indiferent de scopul in care a fost construita, realizeaza acelasi lucru si are acelasi principiu de functionare. Aceste instalatii fac transferul de energie termica prin intermediul agentului frigorific racind anumite incinte sau incalzindu-le in functie de scopul in care au fost proiectate. De exemplu, instalatia unui frigider extrage caldura din interiorul incintei izolate termic si o scoate afara prin intermediul condensatorului instalatiei. O instalatie de aer conditionat extrage caldura din locuinta la exteriorul acesteia, spliterul instalatiei avand rolul de vaporizator iar agregatul exterior cel de condensator. Spliterul din interiorul locuintei si agregatul exterior sunt de fapt doua schimbatoare de caldura (radiatoare) care fac transferul termic dintre agentul frigorific si aerul ambiant din locul unde sunt amplasate. Instalatiile de aer conditionat cu dubla functie pot schimba rolul celor doua schimbatoare de caldura. Iarna spliterul poate fi condensatorul instalatiei iar agregatul exterior poate fi vaporizatorul acesteia, instalatia respectiva fiind in acest caz o pompa de caldura geotermala care face schimbul de caldura prin intermediul aerului exterior si a celui din interiorul locuintei. Pompele de caldura geotermale preiau caldura mediului din sol, din apa unui put sau din aer si o comprima prin intermediul agentului frigorific in condensatorul instalatiei care incalzeste apa din instalatia de incalzire a locuintei respective.
Expresia „randament supraunitar" este o greseala de exprimare. Asa ceva inca nu s-a descoperit (sau mai bine spus, nu exista!). Pentru ca preluand caldura dintr-un mediu si transferand-o in altul, pompele de caldura evacueaza prin condensatorul instalatiei o cantitate de energie termica mai mare decat echivalentul energiei electrice consumate de catre motorul compresorului instalatiei, aceasta expresie a fost inlocuita cu cea de „coeficient de performanta" (COP) care exprima raportul dintre energia termica evacuata prin condensator si echivalentul electric consumat de compresor. Acest COP depinde in cea mai mare masura de modul in care se face transferul termic. La un aparat de aer conditionat performant folosit ca pompa de caldura, care face transferul termic aer-aer COP ajunge la 3...3,6 iar o pompa de caldura care face transferul apa-apa COP ajunge la valoarea 5 sau chiar 6 (cele de dimensiuni si puteri mai mari). Adica valoarea energiei termice debitate poate ajunge la de 6 ori valoarea puterii electrice consumate de compresorul instalatiei.
Schema sistemului este realizata folosind programul Cadence OrCAD. Daca utilizati programul veti putea deschide acest fisier cu orice program Cadence OrCAD incepand de la versiunea 7(deja a aparut versiunea 15). Puteti descarca schema completa a sistemului de aici:
Schema bloc generala
Functionare
Pentru o mai buna intelegere a functionarii centralei noastre geotermale sa incepem cu o simpla explicatie a functionarii unei centrale electrotermice clasice. Aceasta foloseste presiunea aburului obtinuta prin incalzirea, prin arderea combustibililor fosili (carbuni, gaze, pacura etc.) sau prin fisiunea uraniului in centralele nucleare a apei dintr-un cazan pana la o temperatura la care presiunea de vapori a apei permite actionarea grupului turbogenerator la parametrii obtinerii puterii electrice cerute la bornele acestuia. De regula temperatura cu care se lucreaza in mod obisnuit este situata intre 250 si 270 grade Celsius. Presiunea de vapori a apei corespunzatoare acestor temperaturi este de 40...50 bari. In urma consumului de abur pentru actionarea turbinei cazanul se raceste cu o rata de racire proportionala cu cantitatea de abur consumata in unitatea de timp, iar pentru mentinerea acestuia la temperatura si presiunea necesara trebuie incalzit in continuare, pentru acest lucru consumandu-se o cantitate de combustibil corespunzator necesarului de energie electrica cerut. Dupa destinderea in turbina aburul ajunge in condensatorul de abur, de unde dupa condensare, apa distilata obtinuta este preluata de o pompa de recuperare si reintrodusa inapoi in cazan prin serpentina de recuperare.
Rolul acestei serpentine de recuperare este foarte important pentru marirea randamentului energetic al centralei. Sistemul cazan-turbina nu are un randament mai mare de 30-40% iar aceasta serpentina realizeaza preincalzirea apei condensate inainte de reintroducerea inapoi in cazan de catre aburul deja fierbinte care iese direct din turbina, recuperand in acest mod o mare parte din caldura reziduala a acestuia. In acest fel se poate dubla randamentul energetic al sistemului. La modul simplu, acesta este principiul de baza dupa care functioneaza o centrala electrica de tip clasic.
In cazul nostru, principiul este acelasi dar cu anumite deosebiri. Sursa de caldura in cazul nostru este condensatorul unei pompe de caldura. Pompele de caldura folosesc agenti frigorifici a caror temperatura critica (pragul de temperatura deasupra caruia fluidul nu se mai condenseaza oricat am mari presiunea) este sub temperatura de fierbere a apei sau prea putin deasupra ei. Fluidul frigorific cu temperatura critica cea mai ridicata si presiunea critica relativ scazuta este R600 (isobutanul) folosit la frigiderele cu clasa energetica A. El are temperatura critica de 134,7 grade Celsius iar presiunea critica de 36,29 bari. Daca am folosi o pompa de caldura cu isobutan pentru incalzirea unui recipient cu apa (cazan, boiler) pentru actionarea unei turbine, presiunea de vapori a apei din cazan ar fi de 2...2,5 bari iar in aceste conditii trebuie sa ne gandim la ceva mai eficient.
O solutie de rezolvare eleganta dar ceva mai pretentioasa a acestei probleme este folosirea ca agent de actionare a turbinei a unui lichid care sa aiba temperatura de fierbere joasa fata de a apei. Cele mai cunoscute din acest punct de vedere ar fi: alcoolul etilic (temp fierbere de -78 grade Celsius), gazul petrolier lichefiat (GPL temp fierbere de -15 grade Celsius) si agentii frigorifici care au temperaturi de fierbere intre -26 si -44 grade Celsius sau chiar mai jos. Principiul de baza al functionarii instalatiei noastre este bazat pe variatia presiunilor de vapori a unui fluid cu temperatura de fierbere joasa in functie de temperatura la care este expus.
Aceasta instalatie este compusa din urmatoarele elemente:
- pompa de caldura, formata din compresor, serpentina condensator, ventilul de laminare (expansiune), serpentina vaporizator, robineti de umplere sau golire si/sau separare (pentru facilitarea operatiilor de intretinere), manometre cu sau fara contact pentru automatizarea functionarii in parametri normali. Serpentina vaporizator este impartita in trei parti: Partea a I-a care este cea mai rece si are rolul de a mentine la temperatura scazuta vasul de colectare a gazului lichid, partea a II-a, care ajuta la racirea recipientului acumulator si partea a III-a care culege caldura din mediul ambiant (de la apa din put).
- recipientul de expansiune (pentru actionarea grupului turbina-generator). Constructiv, acesta este de fapt un ansamblu format din mai multe radiatoare (calorifere) conectate in paralel pentru o capacitate suficienta si o suprafata de contact termic corespunzatoare puterii de lucru cerute. Acesta este in contact termic cu serpentina condensator a pompei de caldura. Pentru aceasta ambele elemente sunt montate intr-o cuva izolata termic fata de exterior, plina cu apa. Sursa de caldura (serpentina condensator a pompei de caldura) este plasata sub recipientul de expansiune, acesta primind caldura de la serpentina prin convectia naturala a apei din cuva. Este prevazut cu manometru cu contact (sau manometru asociat cu un presostat sau cu un traductor de presiune analogic) care da informatiile legate de presiunea din recipient sistemului de automatizare al instalatiei, cu un robinet de umplere-golire, un robinet de separare intre teava de iesire si racordul de iesire catre robinetul cu servomotor.
- robinetul cu servomotor si grupul turbogenerator. Robinetul cu servomotor are rolul de a alimenta cu gaz sub presiune turbina grupului generator pentru actionarea acesteia la turatia constanta de lucru. Cuplul rezistent opus de catre generator turbinei poate fi variabil in functie de sarcina acestuia iar debitul de gaz sub presiune trebuie sa fie direct proportional cu cuplul generatorului in scopul stabilizarii turatiei acestuia. Robinetul este comandat de catre un circuit electronic care citeste turatia generatorului (dupa frecventa curentului debitat) si comanda inchiderea sau deschiderea robinetului in scopul mentinerii unei turatii stabile. Grupul turbogenerator este ansamblul format dintr-o turbina montata direct pe axul unei masini electrice sincrone trifazate. Turbina trebuie calculata pentru turatia si cuplul corespunzator generatorului iar generatorul trebuie sa poata sustine ca sarcina compresorul instalatiei, incarcarea bateriilor de acumulatori tampon, circuitele de comanda si auxiliarele centralei si sarcina externa maxim corespunzatoare COP-ului pompei de caldura.
- serpentina de recuperare are importantul rol de a recupera o mare parte (cat mai mare) din caldura reziduala a gazului care a actionat turbina si urmeaza a fi condensat in recipientul acumulator. Dupa iesirea din turbina gazul intra pe traseul serpentinei de recuperare incalzind-o. Prin teava acesteia se intoarce in recipientul de expansiune gazul lichefiat in recipientul de acumulare care are temperatura scazuta. Incalzit de catre gazul provenit de la turbina, el va intra in recipientul de expansiune la o temperatura mai ridicata, reducand in acest fel cantitatea de energie termica necesara pentru incalzirea recipientului de expansiune.
- recipientul acumulator este un recipient asemanator cu recipientul de expansiune, cu rolul de condensare la temperatura scazuta a gazului sosit din turbina instalatiei. La fel ca si recipientul de expansiune, acesta este montat intr-o cuva izolata termic si este mentinut la temperatura scazuta cu ajutorul unui curent de apa provenita dintr-un put si partea a II-a a serpentinei vaporizator a pompei de caldura. Este dotat cu robineti de separare pe intrarea dinspre serpentina de recuperare si spre vasul colector de gaz lichid si cu un senzor termic care, prin intermediul circuitelor de comanda, alimenteaza cuva cu apa rece din put la tendinta de incalzire a acesteia. Recipientul acumulator are montata deasupra sa, in interiorul cuvei, partea a II-a a serpentinei vaporizator a pompei de caldura. Aceasta ajuta la racirea recipientului acumulator prin convectia naturala a apei din cuva. In felul acesta se reduce consumul de apa din put pentru racirea acumulatorului.
- vasul colector al gazului lichid are rol dublu. Fiind mentinut la temperatura scazuta de catre partea a I-a a serpentinei vaporizator a pompei de caldura, va pastra la temperatura scazuta gazul lichid condensat in recipientul acumulator. Conexiunile prin racorduri elastice cu recipientul acumulator si cu pompa de recuperare (aici mai exista un robinet de separare) faciliteaza deplasarea verticala a acestuia pentru a i se citi greutatea de catre un microintreruptor. Acesta este reglat in asa maniera incat sa fie actionat atunci cand vasul colector este plin (80% din volum) pentru comanda pornirii pompei de recuperare.
- pompa de recuperare a gazului lichid are rolul de a introduce inapoi in recipientul de expansiune gazul lichefiat in recipientul acumulator. Ea preia gazul din vasul colector in momentul in care acesta este plin si il impinge catre recipientul de expansiune prin conducta serpentinei de recuperare a caldurii reziduale.
- supapele de sens 1 si 2 aflate la intrarea si respectiv la iesirea serpentinei de recuperare au rolul de directionare a gazului lichid numai catre recipientul de expansiune si de compensare a dilatarii acestuia. Cand gazul este pompat in serpentina prin supapa de sens nr.1 el are temperatura scazuta a vasului colector. In serpentina, fiind incalzit de catre gazul provenit din turbina grupului el se va dilata in recipientul de expansiune prin supapa de sens nr.2.
In concluzie, mecanismul este urmatorul: pompa de caldura preia caldura apei din put si o comprima in condensator, care incalzeste recipientul de expansiune al instalatiei. In principiu acesta lucreaza la temperatura de 60 grade Celsius, folosind fluidul frigorific R134A. La 60 grade Celsius R143A are o presiune de vapori de aproximativ 16 bari. Prin robinetul cu servomotor vaporii acestuia vor actiona turbina generatorului dupa care vor trece prin serpentina de recuperare facand schimbul de caldura cu fluidul recuperat. Dupa aceasta treapta de racire gazul va ajunge in recipientul acumulator aflat la o temperatura de cel mult 12 grade Celsius. La 12 grade Celsius R134A are presiunea de vapori de aproximativ 4,4 bari. El se va condensa (se va lichefia) la aceasta temperatura pe peretii recipientului de acumulare si se va scurge prin robinetul de iesire al recipientului acumulator, aflat la cel mai jos nivel al acestuia in vasul colector de gaz lichid care este racit de catre partea a I-a a serpentinei vaporizator a pompei de caldura la o temperatura de aproximativ -20 grade Celsius, iar cand vasul colector va fi plin se va inchide contactul senzorului de greutate al acestuia si va porni pompa de recuperare, care va evacua gazul lichid prin serpentina de recuperare inapoi in recipientul de expansiune iar de aici ciclul se reia. Fluidul frigorific folosit de catre pompa de caldura este tot R134A deoarece proprietatile sale corespund cel mai bine scopului nostru.
Constructie
Din principiul si modul de functionare al acestei centrale se subantelege faptul ca aici avem de-a face cu elemente care folosesc pentru producerea de energie transferul termic intre medii diferite. Pentru un transfer termic cat mai performant si o rezistenta cat mai buna la presiunile de lucru ale instalatiei cat si la socurile termice, raportat si la un pret accesibil, cuprul este cel mai bun material.
Constructia celor doua recipiente, de expansiune si de acumulare se va face din teava de cupru cu diametrul de 40...50 mm si grosimea peretelui de cel putin 2 mm, imbinate cu T-uri, flanse, folosirea de dopuri la capete etc., toate lipiturile facandu-se cu aliaj de argint. Aparatura (robinete, robinetul cu servomotor, ventilul de laminare etc.) va fi de tipul celor autorizate ISCIR pentru gaze. Etansarea la arborele turbinei se va face cu semeringuri din cauciuc rezistent la gaze, la socuri termice, la modul urmator: se va realiza o caseta pe care sa se poata monta doua semeringuri cu fusta orientata catre interiorul compartimentului turbinei (catre zona de presiune) iar spatiul dintre ele se va umple cu ulei. In zona semeringurilor axul generatorului va fi rectificat la o rugozitate a suprafetei cat mai mica. O rugozitate cat mai mica asociata cu prezenta uleiului intre cele doua semeringuri le va asigura acestora o viata lunga. Trebuie tinut cont de faptul ca inlocuirea semeringurilor dupa o oarecare perioada de functionare inseamna oprirea centralei pe o perioada determinata de durata lucrarii de inlocuire a semeringurilor.
Izolarea termica a conductelor externe cuvelor, a cuvelor celor doua recipiente, a vasului colector de gaz lichid, a pompei de recuperare si a turbinei este obligatorie, fiind realizata cu materiale de calitate. De acest lucru depinde randamentul energetic al centralei si previne aparitia condensului (foarte daunator!) sau ghetii pe conductele de temperatura joasa.
Pompa de recuperare a gazului lichid este o pompa cu roti dintate, capabila sa invinga presiunea recipientului de expansiune si sa aiba un debit mai mare decat echivalentul cantitatii de gaz care actioneaza turbina in regim de putere maxima. Imbinarile robinetelor, supapelor de sens si cele de la pompa de recuperare se vor face conform standardelor ISCIR, etansarile realizandu-se cu materiale folosite pentru gaze la presiuni inalte.
Rotorul turbinei se va realiza din doua discuri din tabla de otel (nu reactioneaza cu gazul frigorific) la grosimea de 3 mm iar aripile concave din tabla de otel de 1 mm. Intre diametrul exterior al aripilor si diametrul exterior al discurilor este indicat sa ramana un spatiu de aprox. 10 mm pe raza pentru realizarea etansarii laterale a injectorului. Turbina se va fixa pe arborele generatorului pe pana si cu flanse de fixare.
Carcasa turbinei este compusa din doua discuri de tabla de 3 mm cu rol de capace laterale. Capacul prin care trece axul generatorului este fixat cu suruburi dispuse radial pe flansa anterioara a generatorului si are fixata in interior caseta semeringurilor. Etansarea casetei fata de capacul turbinei se face cu silicon de chiulasa folosit la motoarele cu ardere interna. Corpul carcasei este un inel din textolit sau sticlotextolit cu grosimea peretelui de 15...20mm care are pe circumferinta practicate gaurile de trecere pentru injectorul de gaz si teava de evacuare catre serpentina de recuperare, acestea fiind prinse de inel cu ajutorul unor flanse de fixare solida si etansa. Imbinarea dintre corpul carcasei si capace se face tot cu suruburi dispuse radial iar etansarea tot cu silicon de chiulasa.
Inainte de umplerea cu agent R134A, instalatia se va testa la presiune (cu toate robinetele deschise) dubla fata de cea de lucru. La temperatura maxima de lucru, de 60 grade Celsius, presiunea in recipientul de expansiune va fi de cca 16...17 bari, ceea ce ne obliga sa facem testarea intregii instalatii la o presiune de 35...40 bari. Daca cedeaza prin oarecare locuri se face remedierea urmata de o noua testare.
Umplerea sau golirea instalatiei se va face cu robinetul cu servomotor inchis (comanda data pe regim „umplere/golire"), dupa ce, in prealabil va fi scos aerul din ea cu o pompa de vid. Vidarea se va face cu toate robinetele deschise, pentru a se scoate aerul din intreaga instalatie. Robinetul de separare de la intrarea vasului colector de gaz lichid va fi inchis, iar butelia de gaz se va conecta la valva robinetului de umplere, care va fi deschis. Din butelie gazul se va scurge in vasul colector iar pompa de recuperare va porni la umplerea acestuia, gazul ajungand prin serpentina de recuperare in recipientul de expansiune. In acest mod, recipientul de expansiune se va umple pana la 60% din volumul total. Serpentina de recuperare va fi si ea plina, instalatia putand fi pornita. Pentru umplerea instalatiei butelia de gaz se va fixa la o inaltime superioara vasului colector si cu robinetul in jos.
Golirea instalatiei se va face conectand butelia goala la iesirea de golire a recipientului de expansiune (iesire aflata in partea inferioara a acestuia, prevazuta cu un robinet). Se va avea mare grija ca butelia in care colectam gazul din instalatie sa nu fie plina mai mult de 70%. Daca o umplem toata, la cresterea temperaturii la care este expusa se va sparge datorita dilatarii gazului lichid (acesta fiind incompresibil).
Daca sunteti interesat sa contactati persoana pentru mai multe detalii sau pentru a cere ajutor in cazul in care doriti sa realizati acest sistem o puteti face prin intermediul nostru scriindu-ne pe adresa noastra de mail
Această adresă de e-mail este protejată de spamboţi; aveţi nevoie de activarea JavaScript-ului pentru a o vizualiza
. Fie ca sunteti persoana fizica sau reprezentati o firma persoana respectiva este deschisa si doreste in primul ca acest sistem sa fie realizat, testam si folosit de cat mai multe persoane. Este convins ca sistemul functioneaza si ca are un randament foarte bun.
|
En. Apei 
Comentarii
Este necesar, va rog, sa corectati si adresa web-site-ului