9. ELŐADÁS A HŰTÉS ENERGETIKÁJA

Átírás

1 9. ELŐADÁS A HŰTÉS ENERGETIKÁJA

2 HŐTŐGÉP - HATÁSOSSÁG JELLEMZŐI CARNOT HATÁSFOK A legjobb, ún. ideális hőerőgép hatásfoka. A T-S diagram alapján: C =(T k -T e )/T k Ahol: T k a meleg egység hőmérséklete, K; T e a hideg egység hőmérséklete, K SZÁLLÍTÁSI FOK Ez a kompresszor tényleges hatásfoka: λ ηv ηt ηd Ahol: V volometrikus hatásfok; t - termikus hatásfok; d tömítési hatásfok Valamennyi függ a kompresszió-viszonytól, míg a volometrikus hatásfok a káros tér méretének és a szelepellenállásnak is a függvénye. TELJESÍTMÉNY TÉNYEZŐ (COEFFICIENT OF PERFORMANCE, COP) Elméleti értéke az ideális kompresszorra, a fordított CARNOT-ciklus alapján: COP e = T e /(T k -T e )= e Effektív (tényleges) értéke a kompresszorra, mérés alapján: COP eff = eff = Q o /P eff =f(t e, T k ) Ahol: Q o - tényleges hűtőteljesítmény; P eff effektív (hajtó) teljesítményigény. A z effektív és az elméleti érték hányadosa a kompresszor ún. exergy hatékonysága. Megmutatja: mennyivel lehet még a folyamatot elméletileg javítani! A COP a hűtőberendezésre is számítható!

3 ENERGIAMEGTAKARÍTÁS A KOMPRESSZOROKNÁL A HŰTŐGÉP ÜZEME, MEGOLDÁSOK ELVE A hűtőgép egy dinamikusan működő rendszer, azaz üzeme a belső (pl. a részegységek típusa és mérete), és a külső (pl. a termék hőmérséklete, a terem relatív páratartalma, az időjárási viszonyok) tényezői szerint időben változó teljesítményű rendszer. Ez azt jelenti, hogy a teljesítmény jellemzők, ezen belül, az energiaigény is pillanatról-pillanatra változik. A belső és külső jellemzők alapján meghatározható a hűtőgép pillanatnyi munkapontja, ahol az egyes részegységek egymással összhangban működnek, és a teljesítményjellemzők, így a COP is, ennek megfelelően alakulnak. A fenti, és a továbbiakban vizsgált valamennyi esetben is az energia-megtakarítás elve: a COP értékének növelése. A továbbiakban a részegységek hatását külön-külön elemezzük. ENERGIAMEGTAKARÍTÁSI MEGOLDÁSOK A KOMPRESSZORNÁL - A kompresszor típusának helyes megválasztása (ld. 1. előadás teljes anyaga) - Az alkalmazott hűtőközeg fajtája (ld. 1. előadás 3. dia) - A hűtőgépek egyedi vagy központi (pl. csoportaggregátként ) való elhelyezése - Egyfokozatú-, kétfokozatú-, kaszkád-kapcsolású- vagy economiser- rendszer - A kompresszorok hajtógépének típusa (pl. villamos vagy gázmotor) -A kompresszor (ok) hűtőteljesítményének szabályozása (ld. 3. előadás)

4 EGY- ÉS KÉTFOKOZATÚ HŰTÉSI RENDSZEREK HŰTŐKOMPRESSZOROK ALKALMAZÁSÁNAK HŐMÉRSÉKLET TARTOMÁNYAI Klimakompresszorok: T e = o C; Hűtőkompresszorok: T e = o C; Mélyhűtő kompresszorok: T e = < - 25 o C. A kompresszort a névleges hőmérséklete körül üzemeltessék! HŰTŐKOMPRESSZOROK KIVÁLASZTÁSA A hűtőkompresszor típusát, alapvetően, a fenti hőmérséklettartomány alapján választjuk ki. Pl. dugattyús kompresszorokat mélyhűtő fokozatban ne alkalmazzunk, mert a szállítási tényezőjük nagyon alacsony. A kompresszor méretét a hűtőteljesítmény igény (Q o ), az elpárologtatási (T e ) és a várható kondenzációs hőmérséklet (T k ), valamint a teremben szükséges relatív páratartalom alapján határozzuk meg. KÉTFOKOZATÚ HŰTÉSI RENDSZEREK HŰTŐKOMPRESSZORAI ÉS KAPCSOLÁSUK Mélyhűtő fokozatban a hűtést két fokozatban célszerű megoldani. A két fokozat megoldható: egy ún. kétfokozatú hűtőkompresszorral vagy két egyfokozatú hűtőkompresszor sorba kapcsolásával. Ez történhet: economiser (ld. 1. előadás, 4. dia), kaszkád (a felső fokozat elpárologtatója az alsó fokozat kondenzátora), vagy fokozati hűtős (ld. 1. előadás 7. dia) rendszerben. Az ALSÓ és FELSŐ fokozatok közötti közbülső nyomást: a p f =(p k,f. p e,a ) 1/2 összefüggés adja meg. Az ehhez tartozó hőmérséklet lesz a FELSŐ fokozat elpárologtatási, és az ALSÓ fokozat kondenzációs hőmérséklete. Nagy teljesítményt több kompresszorral elégítünk ki. Ezeket párhuzamosan kapcsolva ún. csoportaggregátot kapunk.

5 CSOPORTAGGREGÁT CSOPORTAGGREGÁT FOGALMA A hűtéstechnikában azokat a gépeket tekintik csoportaggregátnak, amelyek több azonos vagy különböző teljesítményű kompresszort párhuzamos kapcsolásban, kaszkád teljesítmény szabályozás alapján működtetnek. A szabályozás alapja általában a közösített szívócsőben uralkodó nyomás. A szabályozáshoz szabályozó elem és szoftver áll rendelkezésre. Létezik egyszintű pl. csak hűtésre vagy csak fagyasztásra alkalmas gép, de található ún. Duál rendszerű aggregát is, amikor a gép mindkét hűtési tartomány igényeit képes kielégíteni. CSOPORTAGGREGÁT ELŐNYEI - Nagyon sok hűtőtér kapcsolódhat egyetlen csoportaggregátra. -Az egyik kompresszor meghibásodása esetén, a közösített hálózat miatt, a hibás kompresszor áthidalható, a többi pótolja a javítás idejére. - Azonos kompresszorok esetén csak egyfajtát kell raktáron tartani, a szabályozás és a kapcsolószekrény is azonos elemekből áll. - Kevesebb számú és nagyobb egységteljesítményű gép = jobb energia hatékonyság, kevesebb meddőáram termelés, olcsóbb elektromos hálózat. Különféle energiavisszanyerési megoldással (ld. pl. 8. dia) szerelhető.

6 ENERGIAMEGTAKARÍTÁS AZ ELPÁROLOGTATÓKNÁL A MEGOLDÁS ELVE Elpárologtatónál a megoldás: az elpárologtatatási hőmérséklet (T e ) növelése. Mivel a hűtött termék hőmérséklete (T t ) előírás, ezért a cél a T e = (T t -T e ) - az ún. elszívási hőmérséklet különbség csökkentése (pl o C-ról 2-3 o C-ra). Ez a hőcserélő (k. A) értékének növelésével valósítható meg. Itt: k a hőcserélő (elpárologtató) ún. hőátszármaztatási tényezője, míg A a hőcserélő (elpárologtató) felülete. Utóbbi növelése természetesen költséggel jár (eldöntéséhez költségelemzés kell.) JAVASOLT MEGOLDÁSOK - A hőcserélő típusának helyes megválasztása (pl. lemezes hőcserélőnél k nagyobb) - A hőcserélő helyes méretezése (pl. nagyobb áramlási sebességnél k nagyobb) - A közvetítőközeg helyes megválasztása (pl. PCM alkalmazása) - A hőcserélő leolvasztása (déreltávolítás) (ld. 2. előadás 5. dia) - A hőcserélő belső és külső felületének tisztítása (ld. 2. előadás 6. dia)

7 ENERGIAMEGTAKARÍTÁS A KONDENZÁTOROKNÁL A MEGOLDÁS ELVE Az elméleti - COP képlete (ld. 2. dia) alapján látható, hogy a megoldás: a T k csökkentése. Ezzel egyenértékű a kondenzációs nyomás (p k ) csökkentése. Szokás a (T k -T e ) érték csökkentéséről beszélni, de a T e növelésével az előző dián foglalkoztunk, és itt állandónak tekintjük. JAVASOLT MEGOLDÁSOK A kondenzátor típusának helyes megválasztása (ld. 2. előadás 7. dia) A léghűtéses felépítése és szabályozása egyszerűbb. A vízhűtéses függ a vízfogyasztástól (víz-visszahűtő ), (víz-és csatornadíj) Az evaporatív közepes és nagyüzemi hűtésnél ajánlott - Az elpárologtatóknál leírtak szerint a kondenzátor (k.a) értékének növelése - A kondenzátor üzemének szabályozása a környezeti (pl. időjárási) jellemzőktől függően (ld. 2. előadás 8. dia) A ventilátorok fordulatszámának szabályozása (pl. frekvenciaváltóval ) A kondenzációs nyomás alapján a ventilátorok kikapcsolása A kondenzációs nyomás alapján egyes fokozatok kikapcsolása Légkondenzátoroknál a téli-nyári üzem szabályozása A vízadagolás szabályozása, fagyvédelem

8 lg(p) HŐVISSZANYERÉS A KONDENZÁTORNÁL T k 2 T e 1 2 A HŐVISSZANYERÉS ELVE A kondenzátorban leadott hő egy része visszanyerhető, és ezzel használati meleg víz vagy fűtővíz állítható elő. A kondenzátorban történő hő-leadás három részre osztható (ld. baloldali ábra): (2-2 ) gázhűtés; (2-3 ) kondenzáció; (3-3) utóhűtés. A hőcserét a jobboldali ábra mutatja. Mivel a kondenzációs hőmérséklet: T k = (30-35 o C) körül van, ha magasabb hőmérsékletű (pl. 60 o C feletti) vizet akarunk nyerni, hőhasznosításra csak a gázhűtés során leadott hőt, valamint a kondenzációs hő egy részét (az összes hő kb %-át) lehet felhasználni. Ugyanakkor a jobboldali ábrából látható, hogy ellenáram h esetén a kondenzációs hőmérsékletnél magasabb hőmérsékletű (T v,ki >T k ) víz is előállítható. Kritikus, hogy (T 2 -T v,2 ) megfelelően nagy legyen. T T 2 T v,ki T 2 T k T 3 T v,2 A T 3 T v,be

9 HŐVISSZANYERÉS ESZKÖZEI, FORRÁSAI HŐSZIVATTYÚ (HEAT PUMP) A hőszivattyú olyan berendezés, mely arra szolgál, hogy az alacsonyabb hőmérsékletű (T < 40 o C) környezetből hőt vonjon ki és azt magasabb hőmérsékletű helyre szállítsa. A hőszivattyú elvileg olyan hűtőgép, melynél nem a hideg oldalon elvont, hanem a meleg oldalon leadott hőt hasznosítják. Leggazdaságosabb a használatuk, ha egyidejűleg hűtési és fűtési igényeket elégítenek ki, pl. hűtővíz, használati és/vagy technológiai meleg (ill. forró) víz, és fűtővíz egyidejű előállítására alkalmazzák őket. HŐCSŐ (HEAT PIPE) A hőcső egy - mindkét végén - hermetikusan lezárt, (általában) vákuum alatt álló cső, amelyben valamilyen folyadék (esetleg gáz) található. A függőlegesen vagy ferdén elhelyezett hőcső alján összegyűlt közeg a környezeti hő hatására felmelegszik (ill. elpárolog) és sűrűsége lecsökken, ezáltal a cső felső végébe áramlik, azaz a hőt oda szállítja, ahol az elvonható, pl. a hőszivattyú elpárologtatójában a hűtőközegnek átadható. Az így lehűlt (ill. lekondenzálódott) közeg sűrűsége megnő és visszaáramlik a cső aljára, ahol ismét felhasználható. Ha a hőforrás anyaga szilárd (pl. talaj, vagy élelmiszer) a hő gyors vezetésére alkalmas és alkalmazása különösen ajánlható.

10 HIDEGENERGIA TÁROLÁSA, CSÚCSIGÉNY KIELÉGÍTÉSE HIDEGENERGIA TÁROLÓ (JÉGAKKUMULÁTOR) Az üzemekben a hűtési igény megoszlása nem egyenletes, időnként csúcsigények jelentkeznek. Célszerű, ha a csúcsigények kielégítését hidegenergia tárolókból végzik. A hidegenergia tárolása a Frisbee 7. előadás 10. és 12. diáján említett ún. fázisváltó anyagokkal (PCM-ek) történik. Tulajdonképpen ilyen anyag a jég is (bár a PCM-ek közé más anyagokat sorolnak), és annak előállítására és tárolására használt berendezés a jégakkumulátor. A hűtési csúcsigények kielégítése ilyenkor a jég felolvasztásával, ún. jeges vízzel történik. Jégakkumulátor (vagy más hidegenergia tároló) alkalmazásával kisebb teljesítményű (az átlagos hűtőteljesítmény - igényre választott) hűtőgépe(ke)t alkalmazhatunk, amelyek a csúcsigények közötti időszakokban jeget készítenek, amit azután a jégakkumulátor tárol. Így kisebb hűtőgép alkalmazható, de az energia mennyisége nem csökken. Ugyanakkor az előállítás költsége csökkenhet, ha olyankor készítünk jeget (pl. éjszaka), amikor az áram ára alacsonyabb. Hasonlóképpen, a kedvező környezeti feltételek is felhasználhatók az energiafelhasználás csökkentésére, pl. hidegebb időjárásnál a kondenzátor hűtésénél energia takarítható meg (ld. 5. dia)

11 HŐSZIGETELÉS, VÁKUUM HŐSZIGETELŐ PANEL HŐSZIGETELÉS ALKALMAZÁSA A HŰTÉSBEN A hőszigetelés alkalmazása egyrészt csökkenti az ún. transzmissziós hőterhelést, másrészt megakadályozza a páralecsapódást, a csöpögő víz és a deresedés kialakulását. Ezek csökkentik a gép hűtőteljesítmény igényét. Ezentúl - a munkabiztonság mellett - szerepük van az elemek helyes működésében is. Az alábbi helyeken alkalmaznak hőszigetelést: hűtőbútorok, hűtő- és fagyasztókamrák, hűtő- és fagyasztóalagutak, hűtőkonténerek és hűtőjárművek falai, továbbá a hűtőgépek és vezetékeik, valamint szabályozási pontjaik. A hűtőgépek szigetelése alapvetően a hidegoldalt, az adagolószelep és a kompresszor szívócsonkja közötti elemeket érinti. VÁKUUM HŐSZIGETELŐ PANEL A hűtéstechnikában szigetelőanyagként legelterjedtebben műanyag habból (polifoam, poliuretán, hungarocell) készült előre gyártott elemeket (lemezeket, csöveket, héjakat) használnak. Ezek hővezetési tényezője: k = 0,024 W/mK körül van. A hűtőbútorok fokozott energetikai követelményei miatt (ld. a következő dia) egyre elterjedtebben alkalmazzák a vákuum hőszigetelő paneleket (Vacuum Insulated Panel, VIP) a hűtéstechnikában is. Ennél egy szilárd magot gáztömör lemezek zárnak körül, amelyből a gázokat kiszívják. Hővezetési tényezőjük: k = 0,007 W/mK körül van.

12 HŰTŐSZEKRÉNY ENERGETIKAI ENERGIACÍMKE JELÖLÉSE ÉS LCA JOGSZABÁLYI HÁTTÉR Mivel az energiafogyasztás jelentős része lakossági felhasználásból származik, az EU 2005-ben kibocsátotta az Energia-használó (Háztartási) Termékek Direktíváját (2005/32/EC), amit a 2009/125/EC direktívában jelentősen módosított. A háztartási hűtőberendezésekre vonatkozó rendelkezéseket az EC(2010) 6481 tartalmazza. A kereskedelmi berendezésekre ennek megfelelő rendelkezés jelenleg nincs. A fenti jogszabály új energiacímkézési szabványt vezetett be. A z energiacímkét az ábra mutatja. ENERGIAOSZTÁLYOK, ENERGIAHATÉKONYSÁGI INDEX (EEI) Az energiacímkén különböző színek jelzik az energiaosztályokat. A fent említett jogszabály létrehozta az A+++ - osztályt, betiltotta az A, B, C, D osztályokat és szigorította az A+ - osztály EEI (Energy Efficiency Index) értékét. Előrejelzések szerint 2014-re többnyire az A++ és A+++ - osztályú hűtőgépek kerülnek a piacra. Az ezekre vonatkozó EEI értékek már csak a VIP (vákuumszigetelő panelek) vagy mágneses hűtő alkalmazásával érhetők el. ÉLETCIKLUS ÉRTÉKELÉS (LIFE CYCLE ASSESSMENT, LCA) Esettanulmány: