Fasomvandlingsmaterial för kyliga ändamål

Transkript

1 TFE Fasomvandlingsmaterial för kyliga ändamål Av: Björn Lindgren Mönestam & Joel Falk Handledare: Lars Bäckström, Åke Fransson

2 TFE 1 Sammanfattning En teoretisk studie av fasomvandlingsmaterial (PCM) avsedda för kylning har gjorts i kursen energilagringsteknik. Syftet var att ta fram material till ett kompendium som skulle behandla olika energilagringsprinciper. Detta gjordes genom att undersöka teoretiskt material så som rapporter och litteratur i ämnet. En ganska omfattande studie gjordes som fördjupade sig lite i fasomvandlingsmaterialen is, salthydrater och paraffiner. En jämförelse inom olika tekniska och ekonomiska områden gjordes dem emellan, där det visades sig att is och paraffiner hade bäst framtidspotential. Abstract A theoretical study of phase change material (PCM) for cooling has been done in the course of energy storage technology. The goal was to produce material for a compendium that would address various energy storage principles. This was done by examining the theoretical material such as reports and literature on the subject. A fairly comprehensive study was done thought some special attention was given to the phase change materials ice, paraffin and salt hydrates. A comparison of different technical and economic fields was made between them, where it was shown that ice and paraffin s had the best potential for the future.

3 TFE Innehållsförteckning 2 Inledning s 3. Metod s 3. Resultat s 3. Diskussion s 3. Slutsats s 4. Referenser s.4 Bilagor s 5.

4 3 TFE Inledning Tekniken med fasomvandlingsmaterial(pcm) har på senare tid varit på frammarsch. På många varmare platser i världen har man mer och mer börjat nyttja olika sorters fasomvandlingsmaterial för att lagra kyla (1). Med kyllager kan man bättre jämna ut energianvändandet över dagen och nyttja de billiga elpriser som råder under natten. Syftet och målet med denna rapport är att undersöka fördelar och nackdelar med olika fasomvandlingsmaterial och jämföra de mot varandra med avseende på bland annat kylförmåga, kostnad, plats och miljö. Hur väl tekniken är utvecklad i nuläget och vad man tror att det kommer att bli i framtiden, vilken potential den har samt dess användningsområden. Metodbeskrivning Metoden bestod i att undersöka flera olika studier; på internet, i rapporter och i böcker med mera och jämföra dessa med varandra för att få så relevant och korrekt information som möjligt. Den information som eftersöktes var prisdata, teknik, teori bakom teknik, miljökonsekvenser och användningsområden bland annat. Resultat (se bilaga) Diskussion I det stora hela har arbetet med att ta fram kompendiet gått bra. Vissa svårigheter hade vi med att hitta bra källor då de flesta PCM relaterade böcker och rapporter är mer fokuserade på värmelagring än kyllagring. Vårt resultat skulle vi se som pålitligt med tanke på att de källor vi faktiskt hittade var framtagna av seriösa och erkända författare med djup inblick i ämnet. Resultatets begränsning får ses i ljuset av att vi tagit ett förhållandevis brett grep om ett ganska outforskat område. Samt att vi hade en begränsad tid vilket limiterade arbetes omfattning. Arbets betydelse får ses som en sammanfattning av funktionen och egenskaperna för olika PCM och ett eventuellt bidrag till ett framtida kompendium för olika energilagringsmetoder. Av de olika PCM som undersöktes verkade is och organiska PCM vara de som utmärkte sig mest. Is är den mest utvecklade och har redan visat sig vara ett bra alternativ till latent lagring av kyla i praktiken. De problem som is för med sig i form av underkylning och lägre verkningsgrad på kylmaskinen tar den igen tack vara sina exceptionellt bra termiska egenskaper. Den är dessutom helt ofarligt för omgivningen vilket inte kan sägas i samma utsträckning för de övriga undersökta materialen. Det är också en stor fördel att man inte måste ha flera material i systemet utan du kan använda vatten i sitt flytande och fasta form, både för lagringen och för transport av kylan. De dynamiska systemen verkade utifrån resultaten ge goda resultat redan innan de är fullt optimerade. Det hade dessutom en relativt kort återbetalningstid relativt sin livslängd vilket gör det lättare att få företag att faktiskt göra investeringen i att fixa ett bra kylsystem. Organiska material då framför allt paraffiner verkade också mycket lovande även om den praktiska tillämpningen inte kommit lika långt där som is. Då det är svårare att få en skarp fryspunkt på paraffiner av sämre kvalité och därför måste oftast dyrare blandningar användas vilket leder till att PCM blir en smula dyrare än de andra materialen. Det har dock stora fördelar när det kommer till fasomvandling från flytande till fast vilket är den främsta positiva egenskapen hos paraffin. Detta kombinerat med dess justerbara fryspunkt, genom att ändra längden på kolkedjorna, så kan du få lika bra COP när du använder paraffin som vid latent lagring men som tar avsevärt mindre plats. Det

5 4 TFE kommer inte i närheten av att ta lika lite plats som salthydrater eller is men fortfarande bra jämfört med enbart vatten vid temperaturer mellan 7-12 grader. Salt och då mer specifikt salthydrater har goda termiska egenskaper för lagring av kyla men lider samtidigt av några ganska stora problem, speciellt underkylning vilket är väldigt svårt att lösa. Men framförallt saknar det egenskaper som utmärker sig mot de andra materialen. Det gör att vid installationer där de har vissa krav så kommer inte salthydrater vara det bästa alternativet utan snarare paraffiner eller is. Detta kombinerat med de relativt svårlösliga problemen materialet lider av så har vi svårt att se salt spela en stor roll i framtiden just för kylning. Slutsats Om vi summerar kan vi konstatera att det finns mycket forskningsutrymme hos PCM för kylning. Av det material vi har tagit del av verkar det dock som om is och paraffiner är de med störst framtidspotential. Salt skulle kunna konkurrera med paraffiner i nuläget med lider av problem som kommer vara väldigt svåra att lösa vilket minskar dess betydelse. Detta arbete uppfyller sitt syfte i nuläget, men kommer att behöva uppdateras i framtiden för att relativt mycket utveckling sker inom området just nu. Referenser: Bild på förstasidan: ( ) [1]: Li Huang, Christian Doetsch, Clemens Pollerberg (2010) low temperature paraffin phase change emulsion pp

6 TFE Bilaga 5 Inledning Behovet av att lagra kyla har i stort sett varit lika stort som att lagra värme. För i tiden isolerade man is med sågspån för att maten skulle hålla sig kall så länge som möjligt. Idag vill man lagra kyla för bland annat fjärrkylenät och för andra industriella kylbehov. När ett material smälter eller förångas absorberar det värme från omgivningen och när ett material kondenserar eller stelnar avges den här värmen. Detta fenomen vill man utnyttja för att lagra värme och kyla med fasomvandlingsmaterial (PCM 1 ) (1). Hela idén med PCM är således att använda material med hög energidensitet och som behöver mycket energi för att smälta och/eller förångas för att på så sätt kunna lagra så mycket kyla som möjligt. De vanligaste PCM:en är vatten i olika former t.ex. is eller snö samt olika saltblandningar med låg smältpunkt (2). Paraffiner har också visat goda egenskaper för att fungera som PCM för olika ändamål. I dagsläget används PCM varhelst man vill spara undan kyla för senare behov som t.ex. luftkonditionering i kontorslokaler (3). De fördelar och nackdelar som förekommer hos PCM är olika beroende på vilket PCM som används. Is och snö har fördelarna att deras material är billigt och miljövänligt, men råkar tyvärr ut för underkylning vilket försämrar verkningsgraden i jämförelse med normala lager då kylmaskiner måste opereras på lägre temperatur än normalt. Paraffiner har inte problemet med underkylning men har inte lika billigt och har sämre energitäthet. (4) Teori/funktionssätt 1 I detta dokument åsyftar PCM, fasomvandlingsmaterial som används för att lagra kyla eftersom det är vad avsnittet handlar om, även om PCM generellt sett i verkligheten också används för värmelagring.

7 6 TFE Olika material kan lagra eller ta upp 2 olika mycket energi beroende på grundläggande fysikaliska egenskaper som deras massa och specifika värmekapacitet. För PCM spelar dessutom fasomvandlingsentalpin hos materialen som används en stor roll. Ju större fasomvandlingsentalpi desto mer energi krävs för en fasomvandling och desto mer energi kan PCM:et ta upp. När den sortens energiupptagning sker ökar inte temperaturen tills allt material övergått till den nya fasen, så kallad latent värmelagring (1). Även i system med PCM förekommer temperaturändringar, dock inte i samma utsträckning som vid sensibel värmelagring, dvs. att all energi sparas i temperaturdifferensen. I ett system där enbart värme överförs mellan två material utan att något arbete eller annan yttre påverkan sker kan energibalansen beskrivas med ekvation 1. Ekv 1 Där Q är den termiska energin (J), m är massan (kg), c är specifika värmekapaciteten (J/kg*K), T1 är Initialtemperaturen (K) och T2 är sluttemperaturen (K) hos materialet (5). För PCM är det dock främst energiupptagningsförmågan vid fasövergång som är intressant. Denna kan tecknas enligt ekvation 2. Ekv 2 Där dh är den specifika fasomvandlingsentalpin (J/kg) och övriga beteckningar är definierade sedan tidigare. För olika sorters fasomvandlingar för PCM talas det oftast om fast-flytande och flytande-gas. Det förekommer dock att material lagrar latent värmeenergi utan att genomgå en fasomvandling i klassisk bemärkelse. Detta beror på att material ibland mjuknar när de tar upp värmeenergi utan att faktiskt genomgå en fasomvandling, vilket betecknas exempelvis som fast-fast eller flytande-flytande. En beskrivning av energiinnehållet i en mängd material som genomgår både en temperaturökning och en fasomvandling kan göras genom att kombinera ekvation 1 och 2 till ekvation 3. Ekv 3 Där alla beteckningar är definierade sedan tidigare. Värmeöverföring I huvudsak kan värmeenergi överföras mellan material på tre olika sätt, genom konduktion, konvektion eller strålning. När två angränsande material med olika temperaturer och olika energimängd överför energi mellan varandra för att jämna ut obalansen kallas det för konduktion. Om däremot det ena av materialen är en vätska som dessutom rör sig kallas det för konvektion, som kombinerar konduktion och vätske rörelser. Strålning är då värme överförs via elektromagnetisk strålning (6). För PCM för kyla är det oftast värmeöverföring via konduktion eller konvektion som det handlar om. I värmelager vill man oftast minimera blandning i det termiska lagret och därför sker den primära delen av värmeöverföringen via konduktion. Detta är ett problem vid lager för kyla då PCM generellt sett har väldigt dålig värmeöverföring vid konduktion, dvs. de har låg värmeöverföringskoefficient. Detta gör att det blir avsevärt mycket svårare att ladda upp och ladda ur lagret snabbt då materialet ofta inte kan ta emot energi fort nog oavsett temperaturdifferens. Processen blir därför beroende av arealen på kylningsytan i större utsträckning än hur snabbt energin kan överföras. Systembetraktelse 2 I fallen med PCM som används för kylning handlar det inte om att lagra värme, utan mer att ta upp värme från omgivningen så att det blir kallt. Därför används frasen ta upp istället för att lagra, även om båda processerna i stort sett är samma sak.

8 7 TFE I ett vanligt system för PCM har is en central roll i kylningscykeln. Issystem klassificeras in i två modeller, statiska eller dynamiska. Denna klassificering rör hur isen produceras. I statiska system så kyls vattnet ned av en kylningsyta varav is produceras som ett lager rakt på kylningsytan. Detta görs vanligtvis i lagret och det har nackdelen att isen blir en isolator mot kylelementet och verkningsgraden försämras. Dynamiska system skiljer sig på den punkten i att efter isen har formats på kylningsytan så avlägsnas den därifrån och flyttas därefter till lagret, vanligtvis genom att man smälter loss den från ytan eller helt enkelt krossar isen. Detta gör att vattnet i större utsträckning får direkt kontakt med kylningsytan och verkningsgraden blir bättre i förhållande till ett statiskt system. Utöver isproduktionen fungerar systemet som ett normalt latent lager då isen normalt smälts i tanken och transporteras ut till konsumenterna i flytande tillstånd. Undantag för det är is slurry system vilket istället skickar runt en krossad is/vatten blandning. Rent tekniskt gör detta liten skillnad, förutom att systemet kan göras mindre på grund av ökad energitäthet. (4) Praktiska installationer Flertalet framgångsrika dynamiska issystem i japan. Systemen jämfördes med traditionell kylning genom att de hade tre identiska skolbyggnader där de i två av dem installerade ordinarie kylningssystem och i ett av dem ett iskylningssystem. Det dynamiska issystemet visade sig spara el i förhållande till de normala kylningssystemen och återbetalningstiden antogs där vara ca 4.2 år vilket är litet med tanke på att sådana system har lång livslängd. (4) Ekonomi, miljö, livslängd

9 TFE Det finns stora problemen med livslängd, korrosion mellan PCM och system samt degenerering av materialet efter upprepade cykler. De nedanstående PCM:en lider dock i mindre utsträckning av dessa problem. Konstruktionen måste också ta hänsyn till att PCM generellt sett har väldigt dålig värmeledningsförmåga. 8 Salter: Vid installation av ett lager som skall lagra kyla med salthydrater måste viss hänsyn tas till framför allt vilka metaller som kommer i kontakt med PCM:et. Även om salthydrater är relativt stabila måste viss hänsyn tas. Det är dock väldigt energitätt vilket leder till att för relativt många andra material kan volymen minska, vilket sänker kostnaden. Miljöaspekterna är inte nämnvärda då de salter som används förekommer naturligt och har liten påverkan på miljön. Livslängden är mycket bra då salthydrater inte är nämnvärt korrosiva, inte är påverkade av degenerering av kylningsförmåga vid upprepade cykler och inte sväller mellan fasomvandlingarna. Detta ger systemen en livslängd som är liknande med normala installationer då materialet inte påverkar livslängden nämnvärt (7) (8). Paraffiner: Paraffiner är inte korrosiva så det sliter inte på metaller i någon större utsträckning. Det kan dock ha en negativ effekt på plastmaterial. Studier visar också att materialet inte degenererades vid upprepade cykler. En viss hänsyn måste dock tas till att paraffin sväller med upp till 10 % vid fasomvandling så inte lagret tar skada. Som PCM är det en smula dyrare än de andra materialen som jämförs samt lägre smältningsentalpi per volym än icke organiska PCM (salt). Detta väger det dock upp med dess stabilitet då det har liten påverkan på det material det förvaras i och miljön generellt men framför allt att organiska material inte underkyls i samma utsträckning som oorganiska material. Materialet påverkar inte livslängden på systemet nämnvärt utan det är normalt slitage som påverkar det (7) (8). Is: Is som PCM har utmärkt energitäthet, billigt material(vatten) samt inga risker med varken miljö eller korrosion. Trots detta blir den fortfarande en bra bit dyrare än ett ordinarie kylningssystem som inte nyttjar fasomvandlingen. Mycket på grund av den dyra frysutrustning som måste installeras. Nedkylningen blir heller inte lika effektiv på grund av vattens låga fryspunkt (0 grader Celsius) samt att den har en tendens att underkylas gör att COP blir ganska mycket lägre än vid sensibel lagring av kyla. Om rätt material väljs för konstruktionen så finns få eller inga problem med livslängden då vatten inte är speciellt korrosivt, inte har problem med degenerering efter många fasomvandlingar samt att det inte ändrar volym (7) (8). Framtiden

10 9 TFE Paraffiner: Paraffiner har ett flertal väldigt positiva egenskaper vilket gör dem konkurrenskraftigt mot de andra systemen då man genom att justera längden på kolkedjorna kan justera fryspunkten, samt att den är den enda som inte lider av problem med underkylning. Detta gör att verkningsgraden i att få fasomvandling i materialet förbättras. De har inga problem med korrosion (förutom i viss mån plast) eller degenerering efter upprepade cykler. Paraffiner är dock brandfarliga och ändrar volym vilket kan skapa en del problem. Materialet är dyrare än salthydrater och vatten men det vägs upp av de positiva egenskaperna som finns i materialet vilket gör det troligt att denna teknik kommer att fortsätta utvecklas och att den kommer att få en roll även i framtiden. Is: Fler studier krävs för att minska problem med underkylning och isskördandet, men även smältningen och transporten av isen. Hur man går till väga med att frysa vattnet samt att få kylan dit man vill är långt ifrån färdigutvecklat och lider fortfarande av en del problem. De stora problemen är att ismaskinen behöver så låga temperaturer som -8 grader Celsius vilket försämrar verkningsgraden avsevärt jämfört med latenta lager, samt att det är jobbigt att transportera kylan dit man vill ha den då till viss del på grund av den dåliga värmeledningsförmågan hos is. Av de olika systemen är det dock den mest välutvecklade och som dessutom har högst energidensitet. Detta gör den begärlig på grund av den brist på plats som blir ett allt större problem i vissa länder då systemet kräver minst plats. Sen är det givetvis en stor fördel att lagret inte är i behov av två medium att lagra kylan i då vattnet används både för att lagra kylan och att transportera ut den till konsumenten (4). Salter: Salter är lite av ett mellanting mellan paraffiner och is då det har en ganska justerbar fryspunkt liksom paraffiner men samtidigt lider av underkylning på samma sätt som is. Salthydrater är ganska bra på de flesta kriterierna för ett bra kylmaterial men inte bäst på något område. Dessutom är det de mest korrosiva av de olika materialen. Som lagringsmedium för kyla har det därför troligtvis inte någon särskilt ljus framtid utan snarare inom elproduktion då flytande salt har positiva egenskaper vid hög temperatur och inte är brandfarligt. Referenser: [1]: Ibrahim Dincer, Marc A. Rosen (2002) Thermal Energy Storage Systems and applications. pp [2]: Harald Mehling, Luisa F. Cabeza (2008) Heat and cold storage with PCM an up to date introduction into basics and applications. pp 4 [3]: Advanced Enviromental Concepts Pty Ltd () PCM-Based Cooling pp 1 [4]: Akio Saito (2002) Recent advances in research on cold thermal energy storage pp [5]: Yunus A. Cengel (2006) Heat and Mass Transfer A practical approach pp [6]: Yunus A. Cengel, Michael A. Boles (2007) Thermodynamics An engineering approach pp 62, [7]: Belén Zalba, José M Marín, Luisa F. Cabeza, Harald Mehling (2003) Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications pp [8]: Halime Ö. Paksoy (2007) Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Consumption pp