* Kort version Denna utrustning får endast demonstreras av personal. Känn på metallrören eller vattnet i spannarna Vad kan man använda en sån här apparat till? Kan den användas på mer än ett sätt? Ni har en liknande apparat hemma! Var finns den? 1
** Utförlig version Tryckmätare Manometer Strypventil Strömbrytare Förångare Kompressor Kondensor Denna utrustning får endast demonstreras av personal. ens kompressor startas med strömbrytaren. Låt värmepumpen gå några minuter och känn då och då på rörslingorna (förångaren och kondensorn). Stäng sedan av kompressorn. Vad skulle man kunna använda värmepumpen till? Kan den användas på mer än ett sätt? Ni har en liknande apparat hemma. Var finns den? 2
*** Utförlig version Tryckmätare Manometer Strypventil Strömbrytare Förångare Kompressor Kondensor Se till att spannarna (finns ej i bilden) står på plats. Förångare och kondensor skall doppa ned i spannarna. Se till att tömningskranarna är stängda. Fyll båda spannarna med 5 liter vatten från kallvattenskranen. 3
Be personalen koppla in en energimätare så att du kan se hur hög elektrisk effekt kompressorn använder (watt W). Effekt watt, W Energi Wattsekunder, Ws Starta kompressorn. Mät temperaturen på vattnet i förångarspannen och i kondensorspannen och avläs elektriska effekten till kompressorn. Mät temperaturerna och effekten varje minut. Gör tabell. Hur lång tid tar det för vattnet på varma sidan att värmas 5 o C? Vad har samtidigt hänt med temperaturen på vattnet i den andra spannen? Räkna ut hur mycket elektrisk energi som kompressorn samtidigt har använt [elektrisk energi (wattsekunder) = elektrisk effekt (watt). tid (sekunder)] För att värma 5 liter vatten 5 o C behövs det 105 000 Ws. Hur mycket elektrisk energi använde värmepumpen för att värma vattnet 5 o C? Om värmepumpen använde mindre än 105 000 Ws, varifrån kommer då resten av energin som värmde vattnet? Varför tror de det heter värme-pump? 4
****** Mera om Syfte Eleverna får undersöka en värmepump. De får upptäcka att värme förflyttas, pumpas från kalla sidan till varma sidan. De kan konstatera att värmepumpen kan utnyttjas för uppvärmning och avkylning och att den ger möjlighet till god energihushållning. Förkunskaper Inga speciella förkunskaper behövs. Man bör vara försiktig så att man inte spiller vatten på elkontakter etc. *** För naturvetare finns det goda möjligheter att göra mätserier på temperatur och effekt, beräkna värmefaktor och fördjupa analysen. Detta beskrivs i särskild handledning. Kommentarer till experimenten en kan köras med förångare och kondensor i luft eller i vatten. Med luft kan man redan efter en minuts körning tydligt känna att metallrörsspiralerna blir kalla respektive varma. Temperatur och tryck på varma sidan stiger snabbt. Därför bör värmepumpen i luft gå högst några minuter. (Om trycket överstiger c:a 12 bar stängs kompressorn automatiskt). Figur 1. Manometrar visar trycket på köldmediet i värmepumpen, på kalla och varma sidan. 5
Med vatten i spannarna bör man mäta temperaturen med termometrar för att se förändringen, som är i storleksordningen 1 o C per minut. *** Naturvetarelever kan beräkna värmepumpens värmefaktor som kvoten mellan nyttig energi och tillförd energi. Värmefaktorn varierar beroende på temperaturen på kalla och varma sidan. Om man beräknar den i femminutersperioder, kan man redovisa den i diagram mot temperaturskillnaden mellan varma och kalla sidan. Exempel på resultat 60 Vattentemperatur / o C 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Tid / minuter Figur 2. Vattentemperatur på kalla och varma sidan. Temperaturen på varma sidan steg med 5 o C efter 9 minuter. Samtidigt sjönk temperaturen på kalla sidan med 4,5 o C. Elektriska effekten till värmepumpen var (i medeltal) 124 W. Elektriska energin till värmepumpen under denna tid var 124. 9. 60 Ws = 66960 Ws. Det behövs 105 000 Ws för att värma vattnet. Elenergin bidrar med 66960 Ws, resten hämtas från kalla spannen, där temperaturen sjunker. 105000 Värmefaktorn är under denna tid e = = 1, 6 66960 Efter ytterligare 7 minuter hade temperaturen stigit ytterligare 5 o C. Samtidigt sjönk temperaturen på kalla sidan med 4,7 o C. Elektriska effekten till värmepumpen var (i medeltal) 131 W. Elektriska energin till värmepumpen under denna tid var 131. 7. 60 Ws = 55020 Ws 6
Det behövs 105 000 Ws för att värma vattnet. Elenergin bidrar med 55020 Ws, resten hämtas från kalla spannen, där temperaturen sjunker. 105000 Värmefaktorn är under denna tid e = = 1, 9 55020 en ger alltså ifrån sig betydligt mer energi i form av värme än vad man måste tillföra i form av elenergi. Resten hämtas från en kall reservoar, t.ex. uteluft, sjövatten eller mark. En värmepump för husuppvärmning har ofta en värmefaktor på mellan 2 och 3,5. Slutsatser Det behövs 105 000 Ws för att värma 5 liter vatten 5 o C. en använde mindre elenergi än 105 000 Ws. Den tar värme från kalla sidan och pumpar över till varma sidan. Värme pumpas till varma sidan Värme tas från kalla sidan Elektrisk energi till kompressorn Figur 3. Energin för att höja temperaturen på varma sidan kommer till stor del från kalla sidan. Lite elenergi behövs för att driva kompressorn. Energin för att höja temperaturen på varma sidan kommer alltså till största delen från kalla sidan. Lite elenergi behövs för att driva kompressorn. (Lite energi går förlorad till omgivningen luften runt värmepumpen värms upp.) Så fungerar det Det är alltid lätt att höja temperaturen - energi kan tillföras på många sätt. För att sänka temperaturen kan vi t ex sätta ned någonting i kallt vatten. Men temperaturen sjunker bara ned till omgivningens, dvs. vattnets temperatur. Ett sätt att kyla ytterligare är att utnyttja avdunstning. Då någonting kokar, förångas eller avdunstar behövs energi. Denna energi tas upp från omgivningen. Om man inte tillför energi (som på spisen), så sjunker i stället temperaturen. Tänk på hur det känns att gå omkring med våt baddräkt! Alltså: förångning sänker temperaturen. 7
Kylskåpet och frysen, som båda är värmepumpar, arbetar på detta sätt. Men energi kan inte bara försvinna. Energin pumpas till ett annat ställe där det alltså blir varmt. Man kan därför också använda värmepumpen för att få värme: kyl något som du inte bryr dig om temperaturen på, t ex sjövatten, och låt den bortpumpade energin värma ditt hus. Lite elenergi kostar det att driva pumpen, men det mesta får du gratis från sjön. en bygger på att man kan flytta kokpunkten för en vätska genom att ändra trycket. Vatten kokar ju vid 80 o C på ett högt berg där lufttrycekt är litet, men inte förrän långt över 100 o C vid högt tryck. I värmepumpen använder man ett ämne (köldmedium) vars kokpunkt kan förflyttas mellan kanske -20 o C och +50 o C genom att man ändrar trycket Tidigare var freon vanligt. Men eftersom kloret i freon angriper luftens ozonskikt om det släpps ut, använder man numera andra ämnen. I experimentvärmepumpen finns tetrafluoretan, ett vanligt köldmedium, som betecknas R134. Vätska lågt tryck expansionsventil Vätska högt tryck KALLA SIDAN temp T 2 VARMA SIDAN temp T 1 förångare kondensor Gas lågt tryck Gas högt tryck kompressor Figur 4. ens funktion. en arbetar i fyra steg: 1. Kompressorn, pumpar upp köldmedie-gasen till högt tryck. Samtidigt ökar temperaturen 2. Vid detta höga tryck kondenserar gasen till vätska. Energi avges och vattnet som omger kondensor-rörslingan värms upp. 8
3. Vätskan får pysa ut genom ett tunt rör eller en expansionsventil. På andra sidan är trycket lågt (kompressorn suger ju). Temperaturen sjunker vid expansionen. 4. Vid detta låga tryck kan vätskan koka fastän den har låg temperatur. Vid förångningen åtgår energi och förångar-rörslingan tar upp värme från omgivningen. Temperaturen sjunker ytterligare. Tillämpningar Kylskåpet och frysen är exempel på värmepumpar. Där utnyttjar man kalla sidan, och får på köpet gratisvärme i köket (kondensorn sitter på baksidan av kylen eller frysen). Många villaägare har en värmepump, som hämtar värme från uteluften eller grundvattnet och lämnar värme inne i huset. Bor du i ett hyreshus i Malmö, så får du värme från avloppet. Vid reningsverket finns mycket stora värmepumpar, som pumpar värme från avloppsvattnet till fjärrvärmevattnet. En värmepump för bostadsuppvärmning har ofta en värmefaktor mellan 2 och 3, dvs. man får ut 2-3 gånger mer energi för uppvärmning än vad man måste tillföra som elenergi till kompressorn. På Kockum Fritid utnyttjar man en värmepump maximalt. Man använder samma värmepump till att kyla isbanan och till att värma simbassängen. Se på Kockum Fritid Denna utrustning behöver du Experimentvärmepump Phywe (från Vwr International AB. Flera experimentmaterielfirmor säljer värmepumpar med mycket små rörslingor för kondensor och förångare. De fungerar dåligt.) Termometrar Effekt- och energimätare (t.ex. EM1 från Zenit ab läromedel. Det går också med en enklare effektmätare. En sådan visar effekten i watt. Eleverna får själva räkna ut energin i wattsekunder genom att multiplicera med den tid det tog.) Litteratur Areskoug, Mats, Miljöfysik. Energi och klimat. 1999. ISBN 91-44-01114-8. Energilära, förutsättningar för solenergiutnyttjande, solfångare, solceller, vind- och vattenenergi, värmepump, växthuseffekten mm behandlas. Många experiment beskrivs. Weblänkar http://www.radron.net/ Råd och rön. Testresultat för värmepumpar för villavärme. Från 14 år. 9