Projekt: P03 Alternativa köldbärare för indirekta kylsystem ETANOLBASERADE KÖLDBÄRARE FÖR BERGVÄRMEPUMPAR I EUROPA OCH USA Monika Ignatowicz, doktorand KTH, Inst. för Energiteknik monikai@kth.se 2017-10-09
BAKGRUND Köldbärare är oftast vattenbaserade lösningar av organiska eller oorganiska ämnen och har använts länge i olika indirekta kylsystem och värmepumpar. F-gas förordning 517/2014 om fluorerade växthusgaser => nya krav på köldbärare 2
KLASSIFIKATION Glykoler etylenglykol (EG), propylenglykol (PG), Alkoholer etanol, metanol, Salter kaliumacetat kaliumformiat klorider Ammoniak 3
NUVARANDE TRENDER USA and Kanada: propylenglykol, metanol eller etanol Europa: etanol, salter eller propylenglykol Nordiska länder: etanol (Sverige: 75% av alla BVP) Finland: etanol, propylenglykol or salter (klimat) Västeuropa: propylenglykol (strikt reglering) Nya trender: nya installationer med etanol (Schweiz, Holland) 4
FÖRDELAR: ETANOL Miljömässig (fermenteringsprodukt), Låg toxicitet och kort nedbrytningstid (läckage), Bra termofysikaliska egenskaper, Lägre pumpeffekt jämfört med propylenglykol. NACKDELAR: Hög brännbarhet (begränsning: 30 vikt-% => T f = - 20.5 ºC) P.g.a. berusningsrisk används denatureringsmedel för att förhindra förtäring. 5
DENATURERINGSMEDEL Alkoholer Ketoner Växtextrakter Isopropanol (PA) Metyletylketon (MEK) Tallolja Butanol (BA) Metylisobutylketon (MIBK) Metanol (MA) 6
ETANOLBASERADE PRODUKTER Sverige Finland Schweiz USA Kanada 10 vikt-% alkoholer (8vikt-% PA + 2vikt-% BA) 12 vikt-% alkoholer (10vikt-% PA + 2vikt-% BA) 4.5 vol-% ketoner (1.8 vol-% MEK + 2.7 vol-% MIBK) 2.5 vol-% ketoner (2 vol-% MEK + 0.5 vol-% MIBK) 3-10 vikt-% metanol 0.5 vikt-% tallolja 7
ETANOLBASERADE PRODUKTER PRODUKTER Etanol D1 D2 EA20 20.0 0 0 (24.47 vol-%) EA18+PA1.6+BA0.4 18.0 (22.07 vol-%) isopropanol (1.6 vikt-%) butanol (0.4 vikt-%) EA17.5+PA2+BA0.5 17.5 (21.47 vol-%) isopropanol (2 vikt-%) butanol (0.5 vikt-%) EA20+MEK1.8+MIBK2.7 20.0 (24.47 vol-%) MEK (1.8 vol-%) MIBK (2.7 vol-%) EA20+MEK2+MIBK0.5 20.0 (24.47 vol-%) MEK (2 vol-%) MIBK (0.5 vol-%) EA18+MA2 18 metanol 0 (22.07 vol-%) (2 vikt-%) MA20 0 0 0 8
GENOMFÖRANDE Termofysikaliska egenskaper: Densitet, viskositet, specifik värmekapacitet, värmeledningsförmåga och fryspunkt Värmeövergångstal - två typiska rördimensioner för bergvärmekollektorer - djup 250m Flöden (0.4; 0.5 and 0.6 l. s -2 ) Driftstemperaturer: -5, 0, 5ºC Tryckfall - två typiska rördimensioner för bergvärmekollektorer - djupt 250m Flöden (0.4; 0.5 and 0.6 l. s -2 ) Driftstemperaturer: -5, 0, 5ºC 9
FRYSPUNKT PRODUKT T f exp ( C) T f ref ( C) Differens (K) EA20-10.92-10.92 0.00 EA18+PA1.6+BA0.4-10.58-10.92 +0.34 EA17.5+PA2+BA0.5-10.46-10.92 +0.46 EA20+MEK1.8+MIBK2.7-13.47-10.92-2.55 EA20+MEK2+MIBK0.5-12.21-10.92-1.29 EA18+MA2-11.34-10.92-0.42 MA20-15.06-15.02 +0.04 EA etanol PA isopropanol BA butanol MEK - metyletylketon MIBK metylisobutylketon MA - metanol 10
1040 DENSITET Densitet [kg. m -3 ] 1030 1020 1010 1000 990 980 970 960 1 % 950-20 -10 0 10 20 30 Temperatur [ºC] EA20 EA20 ref EA18+PA1.6+BA0.4 EA17.5+PA2+BA0.5 EA20+MEK1.8+MIBK2.7 EA20+MEK2+MIBK0.5 EA18+MA2 MA20 MA20 ref PG 25 ref water water (NIST) 11
VISKOSITET Dynamisk viskositet [mpa. s] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 % 0-20 -10 0 10 20 30 Temperatur [ºC] EA20 EA20 ref EA18+PA1.6+BA0.4 EA17.5+PA2+BA0.5 EA20+MEK1.8+MIBK2.7 EA20+MEK2+MIBK0.5 EA18+MA2 MA20 MA20 ref PG 25 ref water water (NIST) 12
Specifik värmekapacitet cp [J. kg -1. K -1 ] 4700 4600 4500 4400 4300 4200 4100 4000 3900 3800 SPECIFIK VÄRMEKAPACITET 1 % 3700-20 -10 0 10 20 30 Temperature [ºC] EA20 EA20 ref EA18+PA1.6+BA0.4 EA17.5+PA2+BA0.5 EA20+MEK1.8+MIBK2.7 EA20+MEK2+MIBK0.5 EA18+MA2 MA20 MA20 ref PG 25 ref water water (NIST) 13
0,65 VÄRMELEDNINGSFÖRMÅGA Värmeledningsförmåga k [W. m -1. K -1 ] 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 1 % 0,35-20 -10 0 10 20 30 Temperature [ºC] EA20 EA20 ref EA18+PA1.6+BA0.4 EA17.5+PA2+BA0.5 EA20+MEK1.8+MIBK2.7 EA20+MEK2+MIBK0.5 EA18+MA2 MA20 MA20 ref PG 25 ref water water (NIST) 14
SAMMANFATTNING Produkt T f µ k Cp EA20-10.9 ºC - - - EA18+PA1.6+BA0.4 +0.34-8% + 2% + 2% EA17.5+PA2+BA0.5 +0.46-4% -2.5% +2.5 % EA20+MEK2+MIBK0.5-1.29-7% -3% +1.5% EA20+MEK1.8+MIBK2.7-2.55 + 2% -7% +1.5% EA18+MA2-0.42-12% -0.2% +1.7% MA20 - - 19% +1% - 3% 15
VÄRMEÖVERGÅNGSTAL - PE40 x 2.4 mm h [W. m -1. K -1 ] 700 600 500 400 300 200 100 EA20-0.4 l/s EA18+PA1.6+BA0.4-0.4 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.4 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.4 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.4 l/s EA20-0.5 l/s EA18+PA1.6+BA0.4-0.5 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.5 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.5 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.5 l/s EA20-0.6 l/s EA18+PA1.6+BA0.4-0.6 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.6 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.6 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.6 l/s Arbetstemperatur: - 5 ºC 0 1500 2000 2500 3000 3500 Re [-] 16
VÄRMEÖVERGÅNGSTAL - PE50 x 2.9 mm h [W. m -1. K -1 ] 700 600 500 400 300 200 100 Arbetstemperatur: - 5 ºC 0 1500 2000 2500 3000 3500 Re [-] EA20-0.4 l/s EA18+PA1.6+BA0.4-0.4 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.4 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.4 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.4 l/s EA20-0.5 l/s EA18+PA1.6+BA0.4-0.5 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.5 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.5 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.5 l/s EA20-0.6 l/s EA18+PA1.6+BA0.4-0.6 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.6 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.6 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.6 l/s 17
TRYCKFALL - PE40 x 2.4 mm, T = - 5 ºC 250 250 250 233,7 242,2 234,6 240,9 239,6 200 200 200 172,6 179,1 173,3 178,1 177,1 Tryckfall [kpa] 150 100 69,1 76,9 70,3 76,9 74,9 150 100 150 100 50 50 50 0 0,4 EA18+PA1.6+BA0.4-0.4 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.4 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.4 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.4 l/s EA20-0.4 l/s 0 0,5 EA18+PA1.6+BA0.4-0.5 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.5 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.5 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.5 l/s EA20-0.5 l/s 0 0,6 EA18+PA1.6+BA0.4-0.6 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.6 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.6 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.6 l/s EA20-0.6 l/s 18
TRYCKFALL - PE50 x 2.9 mm, T = - 5 ºC 100 100 100 90 80 90 80 80 80,9 83,9 81,2 83,5 83,0 Tryckfall [kpa] 70 60 50 40 30 27,8 30,9 28,3 30,9 30,1 70 60 50 40 30 27,8 38,6 35,3 38,6 37,7 60 40 20 20 20 10 10 0 0,4 0 0,5 0 0,6 EA18+PA1.6+BA0.4-0.4 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.4 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.4 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.4 l/s EA20-0.4 l/s EA18+PA1.6+BA0.4-0.5 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.5 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.5 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.5 l/s EA20-0.5 l/s EA18+PA1.6+BA0.4-0.6 l/s EA17.5+PA2+BA0.5-0.6 l/s EA20+MEK2+MIBK0.5-0.6 l/s EA20+MEK1.8+MIBK2.7-0.6 l/s EA20-0.6 l/s 19
SLUTSATSER (1) Mätningar visade på betydliga skillnader i egenskaper hos etanolbaserade produkter i Europa och USA, Den vanligaste etanolbaserade produkten i Sverige (EA18 + PA1.6 + BA0.4) visade de bästa egenskaperna bland alla produkter i Europa (10% högre värmeöverföring och 3% lägre tryckfall), En annan produkt (EA20 + MEK2 + MIBK0.5) som används i Schweiz visade näst bästa prestanda (5% högre värmeöverföring och 2% lägre tryckfall) 20
SLUTSATSER (2) (EA17.5 + PA2 + BA0.5) och (EA20 + MEK1.8 + MIBK2.7) visade de sämsta prestanda, MA20 har bättre termiska egenskaper än (EA18+MA2), men är hälsofarlig. Produkter som innehåller små mängder av isopropanol och butanol eller ketoner rekommenderas. 21
REFERENSER: 1. Ignatowicz M., Melinder Å., Palm B., 2017. Different ethyl alcohol secondary fluids used for GSHP in Europe. 12th IEA Heat Pump Conference, Rotterdam, the Netherlands. 2. Ignatowicz M., Melinder Å., Palm B., 2017. Properties of different ethyl alcohol based secondary fluids used for GSHP in Europe and USA. IGSHPA Technical/Research Conference and Expo, Denver, USA. 22
SAMARBETSPARTNERS NOWAB 23
FRÅGOR? Kontakt: monikai@kth.se
EKVATIONER D P = f ρ w 2 2 L D for RRRR 2300, ff = 64 Re ff = for RRRR > 2300, 0,79 ln RRRR 1,64 2 R f p RRRR = uu DD h ρρ μμ NNNN = PPPP = μμ cc pp kk NNNN = h DD h kk f 8 Re D 1000 Pr 1 + 12.7 f 8 1 2 (Pr 2 3 1) NNNN = 3,66 + 0,0688 GGGG 1+0,04 GGzz 2 3, GGGG = RRRR PPPP DD h ll 25