Raz w roku trzeba określić rzeczywistą i sezonową klasę energetyczną powietrznej pompy ciepła na R410A pracującej w trybie grzania. Pomiary: ssanie sprężarki 10 °C, koniec sprężania 90 °C, ciśnienie parowania 5,82 bar i temperatura par na wyjściu z parownika 0 °C, ciśnienie skraplania 26,4 bar i temperatura na wyjściu ze skraplacza 40 °C, wydajność objętościowa sprężarki 7 m³/h. Trzeba wskazać przyrządy pomiarowe, wyznaczyć temperatury parowania i skraplania (z przegrzaniem i dochłodzeniem), narysować obieg na wykresie log p-h, odczytać entalpie i objętość właściwą, policzyć wydajność grzewczą, moc sprężarki, COP i SCOP oraz klasy energetyczne.
Model „d”, czyli dokumentacja na papierze. Zdający wpisuje ręcznie odczyty, wyniki obliczeń i oceny do tabel, wykresów i protokołu wydrukowanych w arkuszu. W podglądzie tłem jest strona arkusza, wpisy zdającego są granatowe i odręczne, a pola wpisane w bieżącym kroku są podświetlone na żółto. Kolejność kroków idzie za kolejnością tabel i rysunków w arkuszu, a w obrębie jednej tabeli - za kryteriami klucza.
Wykres. Obieg rysuje się na wykresie z Załącznika 1 (wykres dla ciśnienia absolutnego). Manometry pokazują ciśnienie manometryczne, więc na wykres przenosi się p + 1 bar: 6,82 i 27,4 bar. W skrypcie siatka wykresu jest skalibrowana, punkty wyznaczone z pomiarów równaniem stanu R410A i naniesione na siatkę. W Tabeli 8 wpisane są odczyty, które przyjmuje klucz - każdy z nich różni się od wartości z równania stanu o mniej niż dozwolone ±5%.
Zaokrąglenia. Strumień masowy jest zaokrąglony do trzech miejsc po przecinku, wydajność, moc i współczynniki do dwóch - dalsze obliczenia idą na zaokrąglonych wartościach.
To jedno z możliwych rozwiązań: kolejność wypełniania tabel jest dowolna, liczy się zapis w ocenianych polach.
Jak liczą się punkty. Klucz ma 29 kryteriów w 6 rezultatach, każde za 1 punkt. Próg zdania części praktycznej to 75%, czyli 22 punktów - można stracić 7 kryteriów i nadal zdać. Rysunek obiegu daje 6 punktów, a odczyty z wykresu kolejne 6 - bez wykresu nie da się zdać.
Kroki 1-2 · po tym etapie masz 4 z 29 kryteriów (pkt)
Określ przyrządy pomiarowe, które zostały zastosowane w celu wykonania pomiarów parametrów pracy rewersyjnej powietrznej pompy ciepła. Uzupełnij tabelę 6.
W Tabeli 1 są pomiary dwóch wielkości: temperatury i ciśnienia. Temperaturę czynnika na rurociągach mierzy się termometrem (stykowym, z czujnikiem przykładanym do rury; klucz przyjmuje też pirometr).
Określ przyrządy pomiarowe, które zostały zastosowane w celu wykonania pomiarów parametrów pracy rewersyjnej powietrznej pompy ciepła. Uzupełnij tabelę 6.
Ciśnienia parowania i skraplania odczytuje się z manometru (w praktyce z zestawu manometrycznego podłączonego do zaworów serwisowych; klucz przyjmuje „oprawa manometryczna lub manometr”). Wskazanie jest manometryczne - to ważne przy wykresie. Trzeci wiersz tabeli zostaje pusty: wydajność sprężarki pochodzi z dokumentacji, nie z pomiaru.
Kroki 3-4 · po tym etapie masz 8 z 29 kryteriów (pkt)
Wyznacz wartości temperatury parowania i skraplania. Uzupełnij tabelę 7.
5,82 bar to 0,582 MPa. W Tabeli 4 w kolumnie „gaz nasycony” najbliżej jest 0,5817 MPa - temperatura parowania -5 °C. Przegrzanie = t5 - to = 0 - (-5) = 5 K, mieści się w granicach 4-9 K, więc podkreśla się TAK. Każda wartość z jednostką - tak każe dopisek pod tabelą.
Odjęcie temperatur w złej kolejności (wynik -5 K) albo wpis bez jednostki.
Wyznacz wartości temperatury parowania i skraplania. Uzupełnij tabelę 7.
26,4 bar to 2,64 MPa - w Tabeli 4 w kolumnie „ciecz nasycona” 2,639 MPa, czyli 45 °C. Dochłodzenie = tk - t3 = 45 - 40 = 5 K, w granicach 2-6 K - podkreśla się TAK.
Kroki 5-9 · po tym etapie masz 14 z 29 kryteriów (pkt)
Wykreśl na diagramie przemiany termodynamiczne zachodzące w badanej pompie ciepła. Oznaczenie punktów musi być zgodne ze schematem ideowym obiegu pompy ciepła (punkty od 1 – 5) przedstawionym na rysunku 1.
Wykres jest dla ciśnienia absolutnego: 5,82 + 1 = 6,82 bar. Na tej izobarze punkt 5 (wyjście z parownika) leży w obszarze pary przegrzanej, na izotermie 0 °C - kilka kilodżuli na prawo od krzywej pary nasyconej. Klucz uznaje też obieg narysowany dla ciśnień manometrycznych.
Pomylenie numeracji: na schemacie z rysunku 1 punkt 5 to wyjście z parownika, a 1 - ssanie sprężarki.
Wykreśl na diagramie przemiany termodynamiczne zachodzące w badanej pompie ciepła. Oznaczenie punktów musi być zgodne ze schematem ideowym obiegu pompy ciepła (punkty od 1 – 5) przedstawionym na rysunku 1.
Na tej samej izobarze, dalej w prawo, na izotermie 10 °C - punkt 1. Odcinek 5-1 to przegrzanie w przewodzie ssawnym.
Wykreśl na diagramie przemiany termodynamiczne zachodzące w badanej pompie ciepła. Oznaczenie punktów musi być zgodne ze schematem ideowym obiegu pompy ciepła (punkty od 1 – 5) przedstawionym na rysunku 1.
Izobara skraplania: 26,4 + 1 = 27,4 bar. Punkt 2 leży na niej, na izotermie końca sprężania 90 °C. Linię 1-2 prowadzi się wprost między punktami - nie wzdłuż izentropy, bo temperatura końca sprężania jest zmierzona.
Wykreśl na diagramie przemiany termodynamiczne zachodzące w badanej pompie ciepła. Oznaczenie punktów musi być zgodne ze schematem ideowym obiegu pompy ciepła (punkty od 1 – 5) przedstawionym na rysunku 1.
Wzdłuż izobary 27,4 bar w lewo, przez obszar pary mokrej, aż do izotermy 40 °C w obszarze cieczy - punkt 3 (ciecz dochłodzona).
Wykreśl na diagramie przemiany termodynamiczne zachodzące w badanej pompie ciepła. Oznaczenie punktów musi być zgodne ze schematem ideowym obiegu pompy ciepła (punkty od 1 – 5) przedstawionym na rysunku 1.
Dławienie w urządzeniu rozprężnym nie zmienia entalpii: z punktu 3 pionowa linia (izentalpa) w dół do izobary parowania - punkt 4 w obszarze pary mokrej. Odcinek 4-5 (parowanie) zamyka obieg.
Kroki 10-12 · po tym etapie masz 20 z 29 kryteriów (pkt)
Odczytaj z wykresu charakterystyczne parametry obiegu. Uzupełnij tabelę 8.
Z punktów pionowo w dół do osi „Enthalpy”: h1 ≈ 435 kJ/kg, h2 ≈ 488 kJ/kg (dokładność odczytu ±5%). Kolumna „Jednostki” jest pusta - wpisuje się kJ/kg.
Odczytaj z wykresu charakterystyczne parametry obiegu. Uzupełnij tabelę 8.
Punkty 3 i 4 leżą na jednej pionowej linii: h3 = h4 ≈ 267 kJ/kg. Punkt 5: h5 ≈ 424 kJ/kg. Klucz ocenia h3 i h4 osobnymi kryteriami, choć w tabeli jest jedno pole.
Odczytaj z wykresu charakterystyczne parametry obiegu. Uzupełnij tabelę 8.
Na ssaniu sprężarki jest punkt 1. Leży między czerwonymi izochorami 0,040 i 0,050 m³/kg, bliżej pierwszej: v_ss ≈ 0,043 m³/kg.
Objętość odczytana w punkcie 5 - sprężarka zasysa parę w stanie 1.
Kroki 13-15 · po tym etapie masz 25 z 29 kryteriów (pkt)
Oblicz wydajność grzewczą i moc sprężarki. Uzupełnij tabelę 9.
qk = h2 - h3 = 488 - 267 = 221 kJ/kg, lt = h2 - h1 = 488 - 435 = 53 kJ/kg. Klucz przyjmuje też wyniki z odczytów zdającego.
Oblicz wydajność grzewczą i moc sprężarki. Uzupełnij tabelę 9.
7 m³/h : 3600 = 0,00194 m³/s, ṁ = 0,00194 / 0,043 = 0,045 kg/s.
Pominięcie zamiany m³/h na m³/s - wzór w Tabeli 5 wymaga m³/s.
Oblicz wydajność grzewczą i moc sprężarki. Uzupełnij tabelę 9.
Qk = 221 · 0,045 = 9,95 kW, Nt = 53 · 0,045 = 2,39 kW.
Kroki 16-17 · po tym etapie masz 29 z 29 kryteriów (pkt)
Oblicz współczynniki efektywności energetycznej i klasy energetyczne. Uzupełnij tabelę 10.
COP = Qk / Nt = 9,95 / 2,39 = 4,16. W Tabeli 2 COP > 3,6 to klasa A. Wynik wpisuje się też w tabeli pomiarów COP przy 2 °C (pole „uwaga*”).
Oblicz współczynniki efektywności energetycznej i klasy energetyczne. Uzupełnij tabelę 10.
SCOP = 2,9 · 0,61 + 4,16 · 0,37 + 4,24 · 0,24 + 4,39 · 0,11 = 4,81. W Tabeli 3 przedział 5,1 > SCOP ≥ 4,6 to klasa A++.
⚠️ Uwaga do wzoru z arkusza: udziały 61% + 37% + 24% + 11% sumują się do 133%, a nie do 100%, więc SCOP wychodzi zawyżony. Na egzaminie liczy się wzór z arkusza i wynik z klucza (4,81).
Symulacja ekranu w przeglądarce - w Android Studio / Visual Studio wygląd może się nieco różnić.
To jedno z możliwych rozwiązań. Egzaminator ocenia spełnienie kryteriów z klucza odpowiedzi, a nie zgodność z tym rozwiązaniem - inna, poprawna droga też daje punkty.
Autor rozwiązania: Bartosz Bryniarski. Licencja CC BY-NC 4.0 - kopiowanie i przeróbki do celów niekomercyjnych, z podaniem autora i źródła (link do tej strony) (zasady wykorzystania). Treść arkusza i klucza oceniania pochodzi z CKE.