Vilka alternativ finns och varför har vi de lösningar som vi har? Vilka faktorer påverkar energibehovet?

Transkript

1 HUR KAN KYLA ALSTRAS? Eric Granryd Professor emeritus, KTH. Vilka alternativ finns och varför har vi de lösningar som vi har? Vilka faktorer påverkar energibehovet?

2 Det första patentet på en metod att alstra kyla togs av Perkins a) Behållare för vätska som ska kylas b) Förångare c) Kompressor d) Kondensor I ledningen mellan d och b finns en ventil som styr vätskeflödet mellan kondensor och förångare Jacob Perkins kylapparat från 1834.

3 I själva verket arbetade Perkins apparat enligt just den arbetscykel som fortfarande används Kompressorkylprocessen E

4 Principen för att alstra kyla är att en vätska kokar. För kokningen fordras värmetillförsel = köldalstringen När man stiger upp ur poolen känns det kallt eftersom vatten avdunstar från kroppen. Evaporativ kyla. Fasändring (vätska till gas) är principen som används i nästan alla kylsystem i praktiken. Vilken vätska passar bäst att använda?

5 Valet av arbetsmedium har varit en stor fråga alltsedan Perkins dagar Perkins föreslog att använda Etersom arbetsmedium. Det ämne som används kallas köldmedium. på engelska: Refrigerant.

6 Trycken i systemet bestäms av temperaturerna i förångaren (t2) och kondensorn (t1). p2 p1 Val av köldmedium Enkelt? Svårt? t2 t1

7 Trycket då en vätska kokar beror på temperaturen.

8 Om man tillför 1 kwh till en vätska som kokar bildas ungefär lika stor ångvolym oavsett vilket ämne som kokar om man jämför vid samma tryck Heat load for given volume, r/v", kj/m R134a R22 R Propane Ammonia R125 CO2 Water 100 0,1 1,0 10,0 100,0 Pressure, bar

9 Volymetrisk köldalstring vid en verklig förångningsprocess. Olika medier. Vid lika tryck har alla ämnen ungefär samma volymetriska köldalstring (övre figuren) men mycket olika om man jämför vid lika förångningstemperaturer (undre figuren).

10 Energimässig jämförelse. Hur påverkas energibehovet av köldmediet? Man kan definiera en sorts energimässig verkningsgrad för köldmediecykeln. 1 t 1 =40 C (för CO 2 : t 1 =20 C) underkylning=5 C; överhettning=5 C Carnotsk verkningsgrad, ηcd 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 R152a R600a (Iso-Butan) Ammoniak R134a Propan R1234yf R32 CO2 0,65 0, Carnotsk verkningsgrad för några köldmedier vid en enkel cykel mellan 0 och +40 C (för CO 2 20 C) och med 5 C underkylning av vätskan och 5 C överhettning av ångan. Förångningstemperatur, t 2, C Swegon Air Academy,2011

11 Köldmedier krav Även om det finns många medier som kan användas är urvalet begränsat, eftersom man vid sidan av bra termodynamiska egenskaper också önskar att medierna: Inte är giftiga Inte är korrosiva eller på annat sätt skadliga för omgivningen Inte är brännbara Inte påverkar miljön, lokalt eller globalt

12 Fram till 1930-talet användes Ammoniak, Svaveldioxid, Metylklorid, Koldioxid, Kolväten (som Propan) På 1930-talet introducerades säkerhetsköldmedier av företaget dupont. De lanserades under varunamnet Freon. Intensiv diskussion om Freoner sedan Ozonhålet upptäcktes Vad är Freon?? Swegon Aira Academy, 2011

13 En belgisk kemist, Swartz, hade redan på 1890-talet visat att man kunde ersätta väteatomerna i kolväte med atomer ur halogengruppen, dvs. klor, fluor, brom, så kallade halogensubstituerade kolväten, vad vi idag kallar CFC, HFCF och HFC-medier. Thomas Midgley, forskare på Du Pont, insåg i början på 1930-talet att just den gruppen av ämnen var intressanta. De är inerta, mycket kemiskt stabila och vissa har kokpunkter som passar. Du Pont marknadsförde CFC - och senare HCFC-medier som säkerhetsköldmedier. Det första var Freon12 eller R12 (CCl 2 F 2 ). Dessa ämnen tillfredsställde alla (då kända) uppställda villkor. Metan ( Naturgas ) Freon 12 CFC12 (R12) Freon 22 HCFC22 (R 22) H H C H H Cl Cl C F F H Cl C F F

14 Arbeten av Molina, Rowland och Kreutzen som publicerades 1974, visade att kloratomen i CFC-ämnena kunde orsaka nedbrytning av Ozonskiktet i stratosfären. (De tilldelades Nobelpriset 1995). Okänt problem då ämnena introducerades! Det tog tid innan teorin bevisades och accepterades. Efter larmrapporter om ozonhålet enades ett stort antal länder i det s k Montrealprotokollet 1987, om att i etapper minska användningen av CFC och senare även HCFCköldmedier. Miljöfrågor har (haft) en AVGÖRANDE inverkan på utvecklingen av kylteknik och värmepumpar

15 CFC och HCFC ( Freoner ) har fasats ut helt i Sverige och i de flesta länder. Från 1 januari 1995 infördes i Sverige förbud att använda CFCköldmedier i nya anläggningar och från 1 januari 1998 fick man inte heller vid service fylla på CFC-köldmedier i befintliga anläggningar. Totalt användningsförbud infördes från 1 januari 2000 (med undantag för anläggningar med < 900 gram fyllning). Ersättningsämnen innehåller inte klor: I de flesta fall s k HFC-ämnen (väte, fluor och kol).

16 I början på 1990-talet introducerades det klorfria HFC-mediet R134a (C 2 H 2 F 4 ) som ersättning för R12. Först i världen att använda R134a för luftkonditionering i bilar var SAAB i 1991 års modell. Slog snart igenom även i stationära anläggningar. Övergången till HFC-medier innebar också att de tidigare använda mineraloljorna måste bytas ut pga problem med löslighet i de nya köldmedierna. I stationära kylanläggningar används s.k. POE-oljor (polyolester oljor).

17 Egenskaper för Köldmedier Många alternativ, vissa naturliga... Ozon Depletion. Global Warming... Sedan tabellen skrevs har några få alternativ tillkommit, s.k. HFO-medier som har låga värden för både ODP och GWP

18 Revolution på köldmediefronten Köldmedier 1986: CFC-medier: R12, (R11); R502 (blandning av R22 och R115) HCFC-medier: R22; samt: R717 (ammoniak) Köldmedier 2004: Ämnen utan klor HFC-ämnen: R134a R407C (blandning av R32; R125 och R134a) R404A (blandning av R143a; R125 och R134a) R410A (blandning av R32 och R125) Naturliga ämnen : R717 (Ammoniak) Kolväten (Propan, iso-butan m fl) R744 (Koldioxid, CO2) Köldmedier ? : HFC-medier kommer troligen att avvecklas pga växthusinverkan. Ersättning kan vara ny typ av ämnen, s.k. HFO-medier.

19 NY UTMANING: Kylteknik och Växthuseffekten. Global Warming 15% av världens totala elenergi används för drift av Luftkonditioneringsanl. Värmepumpar kyl- och frysanläggningar. Det anses att 10% av totala ökningen av växthuseffekten orsakas av direkta emissioner av köldmedier av typ CFC, HCFC, HFC.

20 Mediets GWP (Global Warming Potential) anger vilken växthuseffekt ämnet har jämfört med inverkan av CO 2. Från 1 januari 2011 kommer man för AC i nyutvecklade bilmodeller (dvs nya plattformar) inom EU att kräva att köldmediet har en GWP-faktor < 150. De flesta HFC-medierna kan då inte användas. Sedan början på 1990-talet har intresset vuxit allt starkare för naturliga köldmedier. Ny familj av ämnen kan vara s k HFO-medier. Ett nytt ämne med beteckningen HFO-1234yf (tetraflouropropen, H 2 C 3 F 4 ) har låg GWP föreslås som ersättning till HFC134a. Fyller kraven och kommer sannolikt att introduceras i nya bilar. Kanske också i stationära anläggningar Swegon 2011

21 Naturliga köldmedier Ammoniak: + Mycket bra termodynamiska egenskaper - Giftig. (stark lukt kan skapa panik); Brännbar. +/- Stål är OK men inte koppar. Kolväten: CO2: Vatten: + Bra termodynamiska egenskaper + Propan har lagom tryck. Konventionella komponenter. (Iso-butan i kylskåp är numera standard!) - Brännbara + Höga tryck ger små dimensioner + Bra värmeövergångsegenskaper - Låg temperatur i kritiska punkten (31 C, 74 bar) ger ofta transkritiska cykler och högt energibehov + Mycket bra termodynamiska egenskaper - Lågt mättningstryck ger jättelika ångvolymer!! - Fryspunkt 0 C Luft; Helium etc: Kräver andra cykler. OK för stora temperaturlyft - Svårt att få hög COP vid små temperaturlyft

22 Om koldioxid, CO2 : Utmärkt som köldmedium för låga temperaturer Bra som köldmedium i lågtemperaturkretsen i kaskad system! Ger höga systemtryck Behöver inte vara en nackdel ger kompakta komponenter. Låg temperatur i kritiska punkten (tkrit = 31 C, pkrit = 73.8 bar!); Betyder att cykler blir transkritiska. (Högtryckssidans tryck, p1, kan väljas. Optimalt ofta ca 100 bar.) COP påverkas starkt av temperaturen efter gaskylaren Ger ofta stora strypförluster i cykeln = sämre COP Det är fördelaktigt om temperaturen efter gaskylaren är < 30 C. Kan inte användas för temperaturer lägre än -56 C (is!). Swegon Aira Academy, 2011

23 Andra arbetscykler? Förångningsprocessen är (fortfarande) den mest effektiva cykeln för eldrivna kylanläggningar. Men det finns också Värmedrivna anläggningar: Absorptionskylanläggningar Kompressorn ersätts med en vätskepump. Två arbetsmedier: Köldmedium + absorbtionsmedium. Exempel: För kyl och frys: Ammoniak + vatten För Luftkonditionering: Vatten + LiBr (ett hygroskopiskt salt)

24 Absorption cykel enligt Carré Ersätter kompressorn Analogi med elektriskt driven anläggning Swegon Aira Academy,2011

25 Absorptionskylanläggning för luftkonditionering, AC system Kyleffekter > 100 kw

26 === Electrolux absorptionssystem. Platen- Munters kylskåp utan rörliga delar Bara för små kyleffekter, <100 W

27 Enkelt intermittent arbetande värmedrivet kylsystem. Pumpa bort luften ur behållarna. Fyll på ammoniak och vatten i ena halvan.

28 Enkelt intermittent arbetande värmedrivet kylsystem. Första fas: Regenerering (Ammoniak kokas bort ur vattenblandningen) Fas två: Kylalstring. Ammoniak kokar. Ångan absorberas av vatten i absorbator. Ammoniakvätska kokar, ger kyleffekt

29 System Tepidus för energilagring (sommar till vinter)

30 System Tepidus, Energilagring sommar till vinter! Installation för fältprov omkring 1980

31 Andra alternativa cykler Gascykler (Omvänd gasturbin, Stirling ) Termoelektriska cykler Magnetokaloriska cykler

32 Åter till konventionella system Drivenergibehov?

33 Temperatur T1 Temperatur T2 Värmeavgivning Q1 Kylanläggning eller Värmepump Drivenergi E Värmeupptagning Q2 Värmeavgivning Q1=Q2+E Temperatur Drivenergi E Värmeupptagning Q2 T1 T2 T = 0, K Kvoten mellan Q2 och E kallas köldfaktorn, COP2 Om T2 = 273K (0ºC) och T1 = 303K (30ºC) får vi: (COP2)Carnot = 273/(30) 9

34 I verkligheten får vi räkna med förluster, både i själva köldmediecykeln och i kompressorn. Vi får bara en andel av den högsta möjliga Man kan införa en total Carnotsk verkningsgrad ηct. Vi kan då skriva: COP2 = ηct * COP2Carnot Tumregel: ηct är ca 0,5

35 Exempel: Verkningsgrad för kompressorer 0.8 Isentropic efficiency Scroll 2004 Scroll 1994 Recip 1994 Recip 1980 Recip 1978 A1 78 A2 78 B1 78 B2 80 P 94 Sc 94 Sc Pressure ratio

36 Exempel: Vilken värmefaktor kan man vänta för en värmepump?? Temperatur Q 1 sänka T sänka källa T källa E Q 2 Värmefaktor för värmepump = Q1/E = (Q2+E)/E = COP2 + 1 Antag temperaturer: Värmekälla: 0 C (Tkälla = 273K) Värmesänka: 20 C (Tsänka = 293K) Idealt skulle man då kunna få värmefaktorn: COP1Carnot = T2/(T1-T2) + 1 = 273/(20) + 1 = 14,7

37 MEN vi behöver temperaturdifferenser för värmetransport! Tsänka = 20 C Tkälla = 0 C Temperatur T 1 Q 1 temp.differens sänka T sänka källa T källa temp.differens T 2 Q 2 E Antag: 8 C temperaturdifferens i både förångare och kondensor. Antag: 15 C differens för värmedistribution via radiatorsystem!

38 Vad kan göras i själva kylanläggningen för att spara energi?

39 Förutsättningar för att spara energi Se till att temperaturlyftet är litet!! Drivenergibehovet för en given kyleffekt är grovt räknat proportionellt mot skillnaden mellan varma och kalla sidans temperaturer, T 1 -T 2 Dessutom: Se upp med energi till hjälpapparater (pumpar, fläktar ) Försök utnyttja både varma och kalla sidan! (Ta vara på kondensorvärmen!) Sparar energi, pengar och miljö!

40 Temperatur T1 Temperatur T2 Värmeavgivning Q1 Kylanläggning eller Värmepump Drivenergi E Värmeupptagning Q2 Temperatur Drivenergi E Värmeupptagning Q2 T1 T2 T = 0, K Kom ihåg

41 För att spara energi vid kylanläggningar och värmepumpar är det alltså viktigt att skapa system med små temperaturlyft!

42 Tack för uppmärksamheten

43 Förångningsprocessen i ett tillståndsdiagram för köldmediet. Kondensor Strypventil Förångare Kompressor Val av köldmedium Enkelt? Svårt?

44 HUR KAN KYLA ALSTRAS? Innehåll: Principer. Arbetsmedier. Problem och möjligheter. Olika typer av kylsystem och värmepumpar. Energibehov.