eff - S ys Effektivare kyl- och värmepumpssystem

Transkript

1 eff - S ys Effektivare kyl- och värmepumpssystem Tekniska möjligheter och potential för högtemperaturvärmepumpar i kommunala och industriella energisystem Marcus Eriksson Institutionen för Kemiteknik och Miljövetenskap Chalmers Tekniska Högskola Göteborg

2 Förord Detta arbete har utförts inom eff-sys, energimyndighetens utvecklingsprogram Effektivare kyl- och värmepumpssystem. Programmet har pågått under en treårsperiod och startades i mars 2001 som en fortsättning på de tidigare kollektivforskningsprogrammen Klimat 21 och Alternativa köldmedier. Eff-Sys är ett samarbete mellan statens energimyndighet, fyra svenska högskolor, ett fyrtiotal företag inom kyl- och värmepumpsindustrin och ett flertal energiföretag. Målet är att programmet på lång sikt ska bidra till en nationell utveckling på kyl- och värmepumpsområdet som karakteriseras av en hög energieffektivitet och liten miljöpåverkan till en låg kostnad. Detta projekt har finansierats av statens energimyndighet, York Refrigeration, Götaverken Miljö samt av energiföretagen Göteborg Energi AB, Jämtkraft AB, Karlstads Energi AB, Lunds Energi AB, Sydkraft AB, Umeå Energi AB, Vattenfall AB och Öresundskraft via Elforsk (Svenska Elföretagens Forskningsoch Utvecklings AB). Författaren vill särskilt tacka handledaren Lennart Vamling samt deltagande industrirepresentanter. Tack även till Paul Ingvarsson, Fortum.

3 Sammanfattning Denna rapport behandlar tekniska begränsningar för högtemperaturvärmepumpar. Med högtemperaturvärmepumpar avses i denna studie värmepumpar som kan leverera värme vid en temperatur >80 C. Studien har begränsats till att i huvudsak behandla värmepumpsalternativ med naturliga medier, ett undantag utgör ett kort avsnitt om HFC-236 fa. För kompressionsvärmepumpar är olika kolväten intressanta medium att använda, dels som enda medium och dels för användning i en kaskadprocess med andra medier. Det ger goda COP, har bra transportegenskaper och låga mättnadstryck. Den stora nackdelen är de omfattande säkerhetsåtgärder som behöver vidtas om kolväten skall användas i större anläggningar. I de fall då risken med kolväten inte kan accepteras är HFC-236 fa ett alternativ, det ger sämre COP och sämre volymetrisk kapacitet än isobutan men är inte brandfarligt. I tillägg är det en stark växthusgas och det finns viss osäkerhet kring regleringar i användandet av HFC-medier. Två andra medier som med utveckling på komponentsidan kan bli intressanta är ammoniak och koldioxid. Ammoniak kräver höga tryck och får även stora överhettningar, dessutom är den låga molekylvikten ett problem om turbokompressorer skall användas. Om koldioxid skall användas vid höga temperaturer måste värmeavgivningen ske i det överkritiska området. Det gör att möjligheten att kyla ner den överhettade gasen långt blir viktigt för prestanda. Det faktum att värmeavgivningen sker i det överkritiska området ger även möjlighet att optimera trycken i processen. Det medför möjlighet till att leverera värme vid hög temperatur med bra COP. Koldioxid kräver mycket höga tryck, vilket även leder till små volymer på anläggningen. Dessutom är tryckförhållandena små. Den idag vanligaste tekniken vid högre temperaturer är mekanisk ångkompression. Tekniken är vanligt förekommande inom industrin där värmebehov vid temperaturer i det intervall som studerats här är vanliga. Tekniken ger höga COP. Nackdelen är framförallt de stora volymsflöden som blir fallet då förångningstemperaturen är låg. Till följd av detta används ofta turbokompressorer, vilket med vattens molekylvikt ger små tryckuppbyggningar per steg. Absorptionsvärmepumpar och värmetransformatorer med Litiumbromid/vatten som medium är också användbara och etablerade tekniker. Enstegsprocesser kan användas upp till ca 100 C respektive 150 C. Dock är temperaturlyftet begränsat av processen till ca 50 C respektive 60 C. Större temperaturlyft kan åstadkommas med avancerade cykler. Korrosionsrisken för anläggningen blir dock större vid högre temperaturer i cykeln. För att kunna leverera värme vid hög temperatur krävs för absorptionsvärmepumpen även en hög temperatur på drivvärmen.

4 Kompressions-absorbtionsvärmepumpen är en intressant lösning för högtemperaturvärmepumpar, särskilt om värmesänkan har en stor temperaturgradient. Det vanligaste arbetsmedieblandningen är ammoniak-vatten. Tekniken befinner sig fortfarande på prototypstadiet och frågor återstår bl.a. när det gäller kompressorer och processutformning. I rapporten har vidare studerats i möjligheterna att använda en högtemperaturvärmepump i ett fjärrvärmesystem. På grund av att varje fjärrvärmesystem har en unik sammansättning av produktionstekniker, värmebehov och temperaturkrav och geografisk utbredning är det svårt att dra generella slutsatser av en sådan studie. Några viktiga aspekter för att få konkurrenskraft i en sådan anläggning är dock att: Det finns behov av hög leveranstemperatur från värmepumpen under lång tid. Det får inte heller vara så att det finns tillgänglig kapacitet i andra värmeanläggningar, t.ex. pannor med låga driftskostnader som kan spetsvärma. Det betyder också att värmebehovet inte får variera så mycket att andra anläggningar under stor del av året behövs av effektskäl eftersom de då också, om de geografiska möjligheterna medger, kan användas för att nå upp till leveranstemperatur på framledningen. Det skall dock påpekas att det kan finnas en mängd andra skäl till att en värmepump med hög leveranstemperatur bör användas. Ett exempel är om man har en värmekälla i periferin på fjärrvärmesystemet som försörjer en del av systemet, bestämmelser gör att en pannanläggning för spetsvärmning inte får byggas o.s.v. Varje tänkbar installation i ett fjärrvärmesystem måste därför studeras utifrån de förutsättningar som råder lokalt.

5 Summary This report discusses technical limitations for heat pumps that can deliver heat at a temperature above 80 C. The study is limited to heat pump alternatives using natural refrigerants with one exception, HFC-236 fa that is discussed in a short section. For compression heat pumps are different hydrocarbons an interesting refrigerant. It gives high COP, has good transport properties and low saturation pressures. The disadvantage is the security measures that have to be done if it should be used in large-scale applications. In cases where the security issue of hydrocarbons not can be accepted is HFC-236 fa an alternative. It gives worse COP and require a larger compressor than isobutan but is not flammable. It also has a high Global Warming Potential. Two other refrigerants that might in the future be interesting to use at this temperature is ammonia and carbon dioxide. The disadvantage of ammonia is its high saturation pressures requiring development of components and its high compressor discharge temperatures. Carbon dioxide will at this temperature deliver heat in the supercritical region. That means that it is necessary to be able to cool the gas to a low temperature if competitive COP should be achieved. The supercritical or transcritical cycle also gives possibilities to optimize the pressure level in the gas cooler. Generally carbon dioxide also leads to small volumes and small pressure ratios, while the absolute pressure levels are very high. A relatively common heat pump technology in industry at high temperatures is mechanical vapor recompression where it can give very high COP. The disadvantage with this technology is large volume flows when the source temperature becomes lower. This also means that turbo compressors is most commonly used which together with the small molecule weight of water gives small pressure rise in each compressor step. Absorption heat pumps and heat transformers with Litium bromide/ water as working pair are also possible to use. Single stage processes can be used to a temperature level of approximately 100 C and 150 C respectively. The temperature lift is however limited by the process to approximately 50 C and 60 C. Larger lifts can be achieved with more advanced cycles. High temperatures for the absorption heat pumps also means a high temperature for the heat required and high temperatures in the cycle also increase the risk of corrosion.

6 The compression-absorption heat pump is an interesting technology for high temperature heat pumps, especially if the heat sink has a large temperature difference. The most commonly investigated working pair is ammonia/water. The technology is still in a state of development but some prototype installations exist. Questions still exist about the choice of compressors and design of vital parts of the process. I the report, the possibilities of using a heat pump for high temperatures in a district heating system have also been studied. Since every district heating system has a unique mix of production technologies, heat demand, temperatures and geographical conditions it is very difficult to make any general conclusions from a study like this. Some important conditions that has to prevail to have any chance for a heat pump for high temperatures in a district heating system to be economically competitive is however that: There has to be a demand for a high temperature from the heat pump during a large part of the year. That means that it cannot be available capacity in other production technologies, for example boilers with low running costs that can increase the temperature. The heat demand cannot vary too much during the year since that means that production technologies that are needed during part of the year for heat capacity reasons in the district heating system can be used to increase the temperature. It should be noted that there might be many other applications and reasons that makes a high temperature heat pump competitive in district heating than those mentioned and studied in this report. Every such installation therefore has to be studied considering local conditions.

7 Innehåll 1 Inledning Syfte Bakgrund Metod och avgränsningar Kompressionsvärmepump med kolväte som arbetsmedium Grundläggande kompressorvärmepumpteori Kolväten som arbetsmedium Maximal leveranstemperatur Maximalt temperaturlyft Flerstegslösningar Arbetsområde Säkerhet Kompatibilitet med smörjmedel Erfarenheter av kolväten som arbetsmedium Övriga medier i kompressionsvärmepumpar Ammoniak Koldioxid HFC-236 fa Mekanisk ångkompression Introduktion om mekanisk ångkompression Användning av mekanisk ångkompression Maximal leveranstemperatur Maximalt temperaturlyft Absorptionsvärmepumpar Introduktion om absorptionsvärmepumpar Arbetsprincip Användning av absorptionsvärmepumpar Arbetsmedium Absorptionsvärmepumpen Absorptionsvärmetransformatorn Arbetsområde för absorptionsvärmepumpen och värmetransformatorn Kompressions/absorptionsvärmepumpar Introduktion om kompressions/absorptionsvärmepumpar Maximal leveranstemperatur Maximalt temperaturlyft Övriga aspekter på kompression/absorptionsvärmepumpen Sammanfattande sammanställning Kompressorvärmepump med kolväte som arbetsmedium Övriga medier i kompressionsvärmepumpar...72

8 7.3 Mekanisk ångkompression Absorptionsvärmepump Absorptionsvärmetransformator Kompressions/absorptionsvärmepumpar Sammanställning i diagram Diskussion Framtida arbete Högtemperaturvärmepumpsstudie Syfte med delstudien Avgränsningar och antaganden Beräkningsfall Resultat Diskussion och sammanfattning Referenser 105 Appendix: Beskrivning av värmepumpsmodellen 109 Tvåstegsvärmepump med economizer Kaskadvärmepump...111

9 1 Inledning 1.1 Syfte Syftet med denna studie är tvådelat. Syftet med den första delen är att tekniskt beskriva några värmepumpstekniker samt identifiera de tekniska gränser som finns för temperaturnivåer på värmesänkan samt tekniskt möjliga temperaturlyft för respektive teknik. Syftet med den andra delen är att med en grov modell undersöka om en högtemperaturvärmepump kan vara ett alternativ i ett fjärrvärmesystem med beaktande av ekonomi och miljöpåverkan. 1.2 Bakgrund Studien handlar om högtemperaturvärmepumpar. Eftersom detta begrepp inte är helt entydigt har det definierats i denna studie som värmepumpar som kan leverera värme vid en temperatur på sänkan mellan C. För lägre temperaturer på värmesänkan finns det fullgoda alternativ som t.ex. kompressorvärmepumpar med R134a att tillgå och för högre temperaturer, d.v.s. över ca 120 C är vatten ett lämpligt medium. Sedan upptäckten att klorflourkarboner (CFC), även kallad freoner, och hydroflourkarboner (HCFC) medverkar till nedbrytningen av ozonskiktet och dess användning reglerats i enlighet med Montrealprotokollet finns det idag inget givet arbetsmedium att använda i värmepumpar med en leveranstemperatur av C. Tidigare användes framförallt R11 och R114 i tillämpningar för delar eller hela detta temperaturintervall. Om man dessutom bortser från HFC-medier, som inte är ozonnedbrytande men däremot är starka växthusgaser finns inte många arbetsmediealternativ för temperaturintervallet C. Några värmepumpsalternativ återstår ändå och denna studie kommer dessa värmepumpstekniker att beskrivas och de begränsningar och svårigheter som är förknippade med dem Anläggningar i Sverige En genomgång av anläggningar med stora värmepumpar i industrin med data från 1992 har gjorts av Mats Westermark (Westermark 1996). Många av de värmepumpar som installerats i Sverige gjordes under 70- och framförallt första halvan av 80-talet för att komma bort från oljeberoende och i samband med den kraftiga utbyggnaden av kärnkraft. I den studien använder majoriteten av värmepumparna R12 som köldmedium vid lägre temperaturer än 80 C på sänkan. Av värmepumpar inom industrin med en temperatur på sänkan över 80 C finns följande redovisade: 9

10 Tabell 1.1 Värmepumpar i industrin med leveranstemperatur över 80 C (utdrag ur Westermark 1996) Ägare Typ Kapacitet Sänkans Källans temp Medium temp ( C) ( C) Stellana plast CHP 123 kw R114 Pripps CHP R114 Korsnäs CHP R114 Gränges Al CHP R22/R11 Gränges Al CHP R12/R11 Västkustfisk MVR vatten Ellco Food MVR vatten Extraco MVR vatten Härjedalens MVR vatten Mineral AB Vin & Sprit MVR vatten Papyrus MVR vatten Hallsta MVR vatten Supra MVR vatten I tillägg till dessa finns även en mängd värmepumpar i fjärrvärmesystem men för dessa har ingen information om temperaturer inhämtats inom ramen för detta arbete. Man kan dock anta att de flesta av dem arbetar med en kondenseringstemperatur omkring eller under 80 C. Det finns även ett antal absorptionsvärmepumpar installerade i Sverige, de flesta av dem för att ta hand om rökgaskondenseringsvärme. I tabell 1.1 använder kompressionsvärmepumparna R114, R11 och R12 som arbetsmedier. Idag används inte längre värmepumpen hos Stellana och den har sålts tillbaka till tillverkaren (Ernefeldt 2003). Värmepumpen hos Pripps har konverterats till R134a och används numera för att förvärma vid malttorkning. Kondenseringstemperaturen ligger därför idag på ca 62 C (Holmqvist 2003). För övriga värmepumpar i tabellen har uppgifter inte kunnat hämtas om hur de används idag Användningsområde Det är i första hand två användningsområden som är aktuella för denna typ av värmepumpar, i fjärrvärmesystem och i industrin. När det gäller fjärrvärmesystem så använder man oftast inte temperaturer över 100 C i nätet, det finns dock fjärrvärmenät där den maximala temperaturen överstiger 100 C. Det finns dessutom skäl att hålla nere temperaturnivån på sänkan för värmepumpen eftersom man då kan hålla nere temperaturlyftet i värmepumpen och på så sätt få ett bra COP. Eftersom ett fjärrvärmesystem dessutom innehåller en mängd andra värmekällor kan dessa användas för att komma upp i en hög temperatur. Värdet av att kunna leverera värme vid en hög temperatur måste då jämföras med att tillföra värme för att uppnå denna temperatur med andra källor. I industrin finns det ett behov av värme vid högre temperaturer, det gäller framförallt ånga vid låga och mellanhöga tryck. Kan dessutom värme med relativt 10

11 hög temperatur användas som källa finns möjlighet att få bra prestanda. Även i detta sammanhang måste en värmepump jämföras med alternativa sätt att producera värme eller effektivisera energianvändningen. Det gäller i industriella tillämpningar värmeväxling, mottrycksproduktion eller hetvattenpannor. Det gäller även att värmepumpen vid en högtemperaturtillämpning i industrin verkligen uppgraderar sann spillvärme. Med det menas värme som vid en given temperaturdifferens i värmeväxlare, tekniskt sett inte kan värmeväxlas och användas för behov vid en lägre temperatur. Värmet som uppgraderas i värmepumpen skall således inte ha en alternativ användning i industriprocessen. Typen av användningsområde har även betydelse för hur allvarliga problem som säkerhetsaspekter med köldmedier är. I denna studie kommer tillämpningar inom industrin inte att behandlas. 1.3 Metod och avgränsningar Arbetet har främst utförts som en litteraturstudie med kontakt med ett antal företag i branschen. Huruvida olika värmepumpar bör användas i högtemperatursammanhang, vilket här betyder kondenseringstemperaturer mellan C, är dock inte bara en fråga om vilka tekniska svårigheter som finns utan kanske mer en fråga om det är ekonomiskt i förhållande till andra energitekniker. Gränsdragningen mellan vad som är en teknisk begränsning och vad som är en ekonomisk begränsning är inte självklar. I många fall går det att lösa tekniska problem men det kan vara väldigt dyrt. Gränsen mellan vad som kan anses vara ekonomiskt begränsat och tekniskt begränsat är därför flytande. Ett försök har gjorts för att i förekommande fall specificera vad som begränsar temperaturer och vilka ekonomiska avvägningar som bör göras. I denna studie har typen av applikation utelämnats och endast temperaturområde beaktats och då endast när det gäller värmesänkans temperatur samt möjligt temperaturlyft. Värmekällans temperatur fås som ett temperaturkrav beroende på de olika teknikernas tekniska begränsningar när det gäller temperaturlyft. Av de orsaker som nämndes i bakgrundsavsnittet 1.2 har endast värmepumpstekniker som inte använder CFC, HCFC eller HFC medtagits i den här studien. Ett undantag görs för ett kort avsnitt om HFC-236 fa. För kompressionsvärmepumpen återstår framförallt kolväten som arbetsmedium för de temperaturer som är av intresse i denna studie. Kort belyses även 2 andra naturliga medier som eventuellt kan bli av intresse i framtiden för den lägre delen av temperaturintervallet som studeras här, nämligen ammoniak och koldioxid. Dessutom finns andra typer av värmepumpar än kompressionsvärmepumpen. Tre av dessa som kan användas i aktuellt temperaturintervall är kompressionabsorptionsvärmepumpar, absorptionsvärmepumpar, samt MVR (Mekanisk ångkompression). Huvudfokus i denna studie kommer dock att ligga på att använda kolväten. Vidare har de extra begränsningar till följd av ersättning av förbjudna köldmedier i befintliga värmepumpar inte tagits i beaktande. 11

12 De parametrar som studeras är maximal leveranstemperatur samt maximalt temperaturlyft. För respektive teknik diskuteras även andra egenskaper som bedömts ha betydelse för deras användning i högtemperatursammanhang. Begränsningarna och avvägningar har identifierats men någon djupare diskussion om hur de kan överbryggas har inte gjorts då detta skulle kräva kunskaper i områden som t.ex. korrosion och hållfasthetslära. De värmepumpar som tas upp i denna studie kan alla leverera värme med en temperatur på sänkan mellan C men deras övriga egenskaper skiljer sig åt väsentligt. Det är därför svårt att jämföra dem, vilken typ av värmepump som är lämpligast i en given applikation avgörs mycket av det omgivande systemets egenskaper. Hur olika typer av värmepumpar passar i olika tillämpningar diskuteras inte i denna studie. För studier kring systemaspekter på värmepumpar se bland annat Lindholm 2003 och Berntsson

13 2 Kompressionsvärmepump med kolväte som arbetsmedium I detta kapitel kommer kolväten som arbetsmedium i en högtemperaturvärmepump att studeras. Eftersom flera kolväten är mycket lämpliga i detta temperaturområde skiljer sig en högtemperaturtillämpning inte så mycket från en värmepumpstillämpning med lägre leveranstemperatur där kolväten används. Eftersom det om man begränsar sig till naturliga medier inte finns några alternativa arbetsmedier till kolväten vid högre temperaturer är det även svårt att jämföra kolvätenas egenskaper med något annat medium som kan användas i samma tillämpning. Jag har därför oftast valt att jämföra olika egenskaper med R134a eftersom det borde vara ett medium som är känt för läsaren, även om R134a inte är användbart vid lika höga temperaturer som kolväten. 2.1 Grundläggande kompressorvärmepumpteori För den läsare som inte har så mycket kunskap om kompressorvärmepumpar kommer i detta avsnitt en del grundläggande begrepp att förklaras. I en kompressorvärmepump utnyttjas att ett medium har olika förångnings och kondenseringstemperatur vid olika tryck. Man utnyttjar då det latenta värme som finns vid fasövergången mellan vätska och gas, genom att låta arbetsmediet förångas genom att ta upp värme vid ett lågt tryck och temperatur och sedan kondensera och då avge värme vid ett högre tryck och temperatur. Kondensor Kompressor Förångare Figur 2.1 Princip för kompressionsvärmepump En enkel enstegsprocess består i princip av fyra delar samt kringutrustning för rördragning, elförsörjning etc. De är enligt figur 2.1 en kompressor, en strypventil samt en förångare och en kondensor. Principen är att värme upptas från en källa i förångaren så att arbetsmediet förångas. För att värme skall kunna upptas i förångaren måste temperaturen där vara lägre än källans temperatur. För att 13

14 mediet skall kunna förångas vid denna temperatur måste trycket vara lågt. Det låga trycket upprätthålls av en kompressor som samtidigt driver runt arbetsmediet i kretsen. I kondensorn skall värme avges till en sänka genom att arbetsmediet kondenserar och avger sitt kondenseringsvärme. För att detta ska kunna ske måste temperaturen i kondensorn vara högre än sänkans temperatur och följaktligen trycket större, vilket åstadkoms med kompressorn. Prestanda för en kompressionsvärmepump anges ofta som kapaciteten på avgiven kondensoreffekt samt COP som definieras som Q& kondensor COP = E& kompressor där Q & = avgiven värmeeffekt och E & = tillförd eleffekt till kompressorn. Processen kan beskrivas i ett temperatur-entropidiagram. Processen ser för en enstegsprocess ut enligt figur 2.2 Kondenseringstemp Kritisk punkt Förångnings temp Figur 2.2 Kompressionsprocess i temperatur/entropi-diagram I figuren visas mediets kritiska punkt, förångningstemperaturen och kondenseringstemperaturen samt några isobarer. Diagrammet visar även förhållandet mellan tryck och temperatur. Ju högre trycket är desto högre är temperaturen där mediet förångas och kondenserar. Förhållandet mellan dessa är viktiga för att avgöra en kompressorvärmepumps användande vid höga temperaturer. Det viktigaste för hur lämplig en kompressionsvärmepump är för höga temperaturer är det medium som används i maskinen. 14

15 För ett arbetsmedium ställs det vissa krav för att det skall vara användbart i en viss tillämpning. Det är oftast omöjligt att finna ett arbetsmedium som uppfyller alla dessa krav och valet av köldmedium blir därför en kompromiss mellan olika krav. De termodynamiska egenskaperna för ett arbetsmedium skall vara lämpliga. Med det menas framförallt att (Berntsson et.al.): Den kritiska temperaturen är en bra bit över kondenseringstemperaturen.(avsnitt 2.3.3) Specifika värmet i vätskefas är liten vilket betyder att underkylning blir mindre viktigt. Ett högt ångbildningsvärme vilket ger en liten anläggning för en given effekt.(avsnitt 2.3.3) Ångfasens volymitet är liten vilket också ger en liten specifik anläggningsstorlek (avsnitt 2.4.2) Mättnadstrycket vid kondenseringstemperaturen är inte så stort att det överskrider tryckbegränsningar på utrustningen. (avsnitt 2.3.2) Ångmättnadskurvan skall vara brant så att man inte behöver så mycket överhettning på sugsidan för att undvika vätska i kompressorn.(2.4.4) Förutom termodynamiska krav ställs även andra krav på ett bra medium. Dessa är framförallt: låg giftighet kemisk och termisk stabilitet icke brännbar påverkan på plaster skall vara liten samverkan med smörjmedel skall vara bra strömningsegenskaper vad gäller tryckfall och värmeöverföringsegenskaper skall vara bra, d.v.s. låga tryckfall och höga värmeöverföringstal lågt pris god tillgänglighet låg miljöpåverkan Generellt kan man säga att de termodynamiska egenskaperna är avgörande för kapacitet och effektivitet hos värmepumpen medan de övriga kraven avgör mycket av designen på värmepumpen och kringutrustning. Det bör även noteras att vissa av de termodynamiskt önskvärda egenskaperna ibland är motsägande vilket leder till avvägningar mellan olika egenskaper. Ett exempel är att höga kritiska tryck är bra ur kapacitetssynpunkt men denna egenskap är associerad med låga molmassor vilket påverkar kompressorn om turbokompressor används. (Gabrielii 2000) 15

16 2.2 Kolväten som arbetsmedium Kolväten är beteckningen på en stor grupp organiska föreningar som innehåller kol och väte. Kolväten som arbetsmedium har studerats av bl.a. Engler et.al 1999 och Vamling et.al 1990 som visar att de kan vara ett bra alternativ för högtemperaturtillämpningar där tidigare R114 använts. Kolväten i tillämpningar vid lägre temperaturer har också studerats, för en genomgång se Colbourne I detta kapitel diskuteras vilka begränsningar som finns och vilka avvägningar som måste göras för att använda kolväten i kompressionsvärmepumpar. De kolväten som främst är av intresse för applikation i värmepumpar för höga temperaturer är listade i tabell 2.1. Blandningar av olika kolväten är även möjliga att använda och dessa kan anpassas till en given applikation men på grund av de många kombinationer som är möjliga diskuteras här endast de rena medierna. Sammanfattning om kolväten Kolvätena passar väldigt bra som arbetsmedium i en kompressionsvärmepump med höga leveranstemperaturer. Det finns ett flertal olika kolväten som passar i olika temperaturintervall. Det som gör dem attraktiva för högtemperaturvärmepumpar är deras låga mättnadstryck, goda COP och bra transportegenskaper. Den stora nackdelen med kolväten är risken för explosioner. Ett stort säkerhetstänkande är därför nödvändigt om kolväten skall kunna vara aktuella som medium. Tabell 2.1 Termodynamiska egenskaper för ett antal kolväten, värden tagna vid 20 C och mättnadstillstånd (Refprop 7.0) Butan Isobutan Pentan Isopentan Neopentan Propan Kemisk formel CH(CH3)3 CH3-2(CH2)- CH3 CH3-3(CH2)- CH3 (CH3)2CH- CH2-CH3 C(CH3)4 CH3CH2CH3 NBP (ºC) T kritisk (ºC) P kritisk (Bar) Molvikt (g/mol) µ vätska 166,18 158,49 227,32 262,34 194,75 102,14 (Pas*10 6 ) µ gas 7,262 7,365 6,793 7,130 6,991 8,089 (Pas*10 6 ) λ vätska 0,1068 0,0908 0,1132 0,0974 0,0945 0,0960 (W/m,K) λ gas 0,0161 0,0163 0,0138 0,0145 0,0159 0,0183 (W/m,K) ρ vätska 578,61 556,21 625,70 620,25 591,25 499,85 (kg/m 3 ) ρ gas 5,325 7,910 1,7249 2,3547 4, ,1069 (kg/m 3 ) c p,vätska 2,404 2,418 2,293 2,249 2,281 2,684 (kj/kgk -1 ) c p,gas (kj/kgk -1 ) 1,779 1,779 1,678 1,666 1,700 2,006 16

17 När det gäller övriga krav för kolväten är de uppställda i tabell 2.2 Tabell 2.2 Kolvätens egenskaper generellt Krav Kolvätens egenskap Giftighet Kemisk och termisk stabilitet Låg God Brännbarhet Kraftigt brännbara (avsnitt 2.7) Påverkan på plaster God kompatibilitet Påverkan på smörjmedel Viss påverkan (avsnitt 2.8) Strömningsegenskaper Goda (avsnitt 2.4.5) Pris Tillgänglighet Miljöpåverkan Lågt God Ej ozonnedbrytande, låg GWP 2.3 Maximal leveranstemperatur I detta arbete är det förmågan att leverera värme vid en hög temperatur som är viktig. Framförallt två faktorer begränsar den maximala leveranstemperaturen för en kompressorvärmepump och valet av arbetsmedium. Grundkravet är att leveranstemperaturen befinner sig under mediets kritiska temperatur. För koldioxid används i värmepumpar överkritiska cykler. Se Kap 3. Mättnadstrycket vid leveranstemperaturen ska vara så lågt att det kan uppnås med tillgängliga kompressorer Kritisk temperatur För att värmepumpen skall kunna utnyttja fasövergången mellan gasfas och vätskefas krävs att värmepumpen arbetar i det fuktiga området d.v.s under den kritiska punkten. Det finns även värmepumpar som arbetar överkritiskt t.ex. när koldioxid används som medium vid högre temperaturer. Kondenseringstemperaturen måste således ligga under den kritiska punkten. Detta krav är grundläggande men inte den begränsande faktorn för vilken temperatur ett medium kan arbeta vid. Den kritiska punkten kan även ses i figur 2.3 som den punkt där mättnadskurvan slutar och även i tabell 2.1 Utifrån kritisk punkt kan ses att samtliga kolväten i tabell 2.1 utom Propan har en kritisk punkt över 120 grader Mättnadstryck -och temperatur Den kondenseringstemperatur och därmed även leveranstemperatur som en kompressorvärmepump kan arbeta vid påverkas av den mättnadstemperatur som det medium man arbetar med har. Genom att höja trycket i kondensorn höjs 17

18 mättnadstemperaturen. Det medför att den maximala temperatur man kan uppnå med en kompressorvärmepump beror på en samverkan mellan vilket arbetsmedium som används och vilket tryck man kan ha i kondensorn. Generellt är det önskvärt med ett högt mättnadstryck eftersom det generellt ger en hög volymetrisk värmeupptagning/avgivning, d.v.s. förmågan att ta upp och avge mycket värme för given volym i kompressorn. Ett arbetsmedium med högt mättnadstryck behöver därför generellt en mindre kompressor jämfört med ett medium med lågt mättnadstryck för att avge samma effekt. Samtidigt vill man i högtemperaturvärmepumpar ha ett lågt mättnadstryck för att kunna använda standardkompressorer med 25 bars tryckklass för den kondenseringstemperatur man vill uppnå. Kompressorer upp till 40 bar finns men är dyrare. Trycket som krävs för att uppnå en given kondenseringstemperatur kan fås ur arbetsmediedata (Refprop 7.0) Dessa redovisas i figur 2.3 för några utvalda medier. Mättnadstryck Tryck (MPa) Pentan Butan Isobutan Isopentan Neopentan Propan Ammoniak R134a Temperatur (C) Figur 2.3 Mättnadskurva för olika kolväten samt R134a och Ammoniak med linjer för 25 bar och 40 bar inritade 18

19 Utifrån dessa mättnadskurvor kan ett urval av medier göras som uppfyller tryckkraven för att kunna ha kondenseringstemperaturer i önskat intervall d.v.s mellan 80 C och 120 C. När det sedan gäller vilket av dessa arbetsmedier som bör användas måste en jämförelse göras för hur de påverkar värmepumpsystemets prestanda. Ur figur 2.3 kan man se att flera kolväten klarar en kondenseringstemperatur på upp till 120 grader även vid ett tryck på 25 bar (2,5 MPa). Av denna anledning är de intressanta att använda i högtemperatursammanhang. Ett flertal medier kan användas vid kondenseringstemperaturer runt 80 grader, R134a, Kolväten, Ammoniak och även koldioxid i en överkritisk cykel kan vara aktuellt. För högre temperaturer är det färre medier som är aktuella. Ammoniak kan med utgångspunkt endast från kritisk temperatur användas upp till en kondenseringstemperatur på över 120 grader. De kondensortryck som då krävs kommer att vara avsevärda och kan inte klaras med de kompressorer som idag är tillgängliga. Med utveckling av kompressorer och värmeväxlare för höga tryck samt att processen designas för att få ner de höga temperaturerna på gasen efter kompressorn är det dock möjligt att Ammoniak kan användas vid höga temperaturer. Slutsatsen från detta blir att det framförallt är något av de undersökta kolvätena med undantag av Propan som kan vara aktuella vid kondenseringstemperatur över 100 grader. Isobutan kan med 25 bars kompressor användas upp till ca 115 grader medan Pentan, Neopentan och Isopentan kan användas en bit över 120 grader. Upp till en liten bit över 80 grader kan dock även Propan vara aktuellt om kompressorer som klarar höga tryck används. Det går även att se att Propan borde vara att föredra ur kapacitetssynpunkt framför Isobutan så länge kondenseringstemperaturen är tillräckligt lågt för att Propan skall vara ett lämpligt medium. Isobutan är i sin tur bättre än Isopentan så länge Isobutan klarar tryckklassen Latent värme För att ett medium skall vara lämpligt att använda vid en viss temperatur räcker det inte att kondenseringstemperaturen ligger under kritiska punkten och vid tillräckligt låga tryck. Det är även önskvärt att kondenseringsvärmet per viktsenhet (volymsenhet) är stort eftersom man annars får stor mängd medium som måste cirkulera i värmepumpen för en given värmeeffekt. Denna inverkan på kapaciteten medtas i den volymetriska kapaciteten som diskuteras i Ett stort kondenseringsvärme vid höga temperaturer gör även att underkylning blir mindre viktigt för att nå goda COP. 2.4 Maximalt temperaturlyft I detta stycke kommer några parametrar som påverkar det maximala temperaturlyftet i en kompressionsvärmepump att diskuteras. När det gäller maximala temperaturlyft med en kompressorvärmepump så finns det egentligen inga tekniska begränsningar. Det maximala temperaturlyftet är istället i huvudsak 19

20 en fråga om vad som är ekonomiskt försvarbart med hänsyn till de investeringskostnader som krävs och den rörliga kostnaden i jämförelse med andra uppvärmningsalternativ. Hur stort det maximala temperaturlyftet är blir därför beroende av en mängd faktorer varav förhållandet mellan el och bränslepriser är viktigt. Som tidigare nämnts är de termodynamiska egenskaperna ibland motstridiga vilket gör att avvägningar mellan olika egenskaper måste göras. Temperaturlyftets storlek påverkar både driftskostnaden och investeringskostnaden för värmepumpen. Driftskostnaden påverkas genom att COP påverkas direkt negativt av ett stort temperaturlyft. Dessutom påverkas kompressorns isentropa verkningsgrad negativt. Investeringskostnaden påverkas genom att volymetriska verkningsgraden försämras samt att den volymetriska kapaciteten försämras. Dessutom finns risk för att kombinationen av hög kondenseringstemperatur och stort temperaturlyft medför stora överhettningar av mediet efter kompressorn, vilket kan medföra nedbrytning av mediet/eventuellt smörjmedel. I det följande avsnittet kommer temperaturlyftets inverkan på dessa faktorer att diskuteras. Frågan om begränsningar i temperaturlyft kan uppdelas i dels vilken som är den lägsta temperatur vid vilken värme kan tas upp oavsett kondenseringstemperatur och dels vilken temperaturskillnad som maximalt kan vara mellan förångnings och kondenseringstemperatur. Vilken av dessa som är begränsande beror då på den aktuella tillämpningen. När det gäller den lägsta temperaturen vid vilken värme kan upptas påverkas den av arbetsmediets kokpunkt vid 1 bar. Om trycket på lågtryckssidan i värmepumpen understiger 1 bar råder undertryck i förångaren och risken för att luft tränger in i värmepumpen och påverkar prestanda ökar. Därför undviker man helst att använda värmepumpen vid lägre temperatur än kokpunkten vid 1 bar. Denna punkt kallas för normal kokpunkt (NBP) och ligger för de genomgångna medierna enligt tabell 2.4. Tabell 2.4 Kokpunkt vid 1 bars tryck för kolväten (Refprop 7.0) Butan Pentan Isobutan Isopentan Neopentan Propan NBP ( C) Normalt är dock inte NBP någon begränsande faktor, dels kan värmepumpen användas med tryck under 1 bar men framförallt kommer andra ekonomiska faktorer att begränsa innan. Det beror på att arbetsmediet väljs efter de temperaturer den skall arbeta mellan. Isopentan har en relativt hög NBP men detta medium skulle man välja om kondenseringstemperaturen måste ligga över 120 grader. Det kräver då ett temperaturlyft över 90 grader för att NBP skall vara en begränsning och ett sådant temperaturlyft är knappast ekonomiskt av andra orsaker. 20