Køling. Lars Reinholdt Center for Køle- og varempumpeteknik Teknologisk Institut INDUSTRI OG ENERGI KØLE- OG VARMEPUMPETEKNIK 1

Transkript

1 Køling Lars Reinholdt Center for Køle- og varempumpeteknik Teknologisk Institut 1

2 Hvad er køling? Den køletekniske opgave er at flytte varmen Q køl fra den lave temperatur T køl til omgivelsernes temperatur T omg 2

3 Teoretisk maksimal COP (coefficient Of Performance) COP Køleydelse Effekttilførsel Mekanisk drevet COP ideel, mekanisk = T omg T køl T køl Termisk drevet COP ideel, termisk T køl = * T driv T T driv omg T T omg køl 3

4 Teoretisk maksimal COP Mekanisk drevet kølemaskine T køl T omg COP 11,0 14,8 22,2 Termisk drevet kølemaskine ved 28 C omgivelser COPideel 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Tdriv [ C] Tkøl = 3 C Tkøl = 9 C Tkøl = 15 C 4

5 Mekanisk <> termisk drevet COP har stor betydning for, hvor meget varme, der skal fjernes i køletårnet. Dette kan være forbundet med et stor elforbrug. q heat 20 kw Thermal driven cooling device COP = 0,5 q reject 30 kw q cold 10 kw 5

6 Kølemetoder Traditionelle kompressor-køling (ikke behandlet på denne temadag) * Vanddampkompression Fordampning af vand i luften (adiabatisk og diabatisk køling) Gas-processer: * Luft som kølemiddel (kun til lavtemperatur, ikke behandlet på denne temadag) * Sterling-processen Varmedrevne køleprocesser Magnetisk køling Termoelektrisk køling Andre (ikke behandlet på denne temadag): * Akustisk køling * Vortex tube * Tunnelstrømskøling (ikke videnskabeligt bevist) 6

7 Luftkøling: Fordampning af vand i luft Lufttemperatur DRY referenceår Temperatur [ C] Timenummer DRY standardår Antal timer dem samme konditioner Våd temperatur, udtrykt som forskel til den tørre tempertur ( C) Antal ialt 1579 Antal Tør temp ( C) >=

8 Adiabatisk køling I Danmark maks. ca. 14 g fugt per kg luft Eks: 25 C luft (50% RF) kan køle til 18 C (100% RF) 8

9 Adiabatisk køling BEFUGT U2 = 1,966 [g/sec] TU4 = 15,73 [C] XU4 = 0,01088 [kg/kg] RFU4 =???? [RF] humidifier Drying Cross flow heat exchanger M IND = 0,67 [kg/s] η bfind = -0,2045 RFI1 = 0,58 [RF] T DRY = 19 [C] T WET = 14 [C] XI1 = 0, [kg/kg] TU3 = 15,73 [C] XU3 = 0,01088 [kg/kg] RFU3 = 0,97 [RF] η vx = 0 η bfud = 0,95 TI2 = 19 [C] TI3 = 19 [C] TI4 = 20 [C] XI2 = 0, [kg/kg] RFI2 = 0,58 [RF] TU2 = 15,73 [C] XU2 = 0,01088 [kg/kg] RFU2 = 0,97 [RF] XI3W = 0, [kg/kg] XI3 = 0, [kg/kg] RFI3 = 0,58 [RF] humidifier humidifier XU1 = 0,00795 [kg/kg] XU1W = 0,01104 [kg/kg] XI4 = 0, [kg/kg] RFI4 = 0,52 [RF] XU1 g = 7,95 [g/kg] TU1 = 23 [C] RFU1 = 0,45 [RF] Air Outlet M UD = 0,67 [kg/s] Air inlet TI5 set = 20 [C] XI5 = 0, [kg/kg] RFI5 = 0,52 [RF] BEFUGT I4 = -0,2696 [g/sec] Sorptionsdelen er ikke aktiv Fugtig luft P1=1,013 [bar] Ventilatorer og trykfald ikke medregnet Heat inlet max. 80 C Samlet vandforbrug til fordampning, uden "bleed": Befugtning = 6,107 [kg/h] T [ C] m3/kg C 15 C 20 C 25 C Luft indblæsning Luft udblæsning 35 C 30 C T DRY=19 [C] T WET=14 [C] TI5 set=20 [C] TU1=23 [C] 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 9 Fugtindhold [kg/kg]

10 Adiabatisk køling Udelukkende befugtning af indblæsningsluften. Indblæsningstemperatur 21 C, uden krav til maksimal fugtighed: Den højeste fugtighed er ca. 14 g/kg, svarende til 90% RF ved 21 C lufttemperatur. DRY standardår Trin 1: Tind = 21 C, Tud = 23/45%RF Antal timer dem samme konditioner Våd temperatur, udtrykt som forskel til den tørre tempertur ( C) Antal ialt 418 Antal Tør temp ( C) >= Kun befugtning af indblæsningsluft (driftsmåde "2") Ikke behov for køling 10

11 Adiabatisk køling Ønsket indblæsningstemperatur 18 C (afkøling til 17 C). Udsugningsluftens tilstand: 25 C 53%RF. Befugtning af både indblæsnings- og udsugningsluften samt krydsvarmeveksling. Det højeste fugtindhold i indblæsnings-luften er 11,4 g/kg (65% RF ved 23 C). DRY standardår Antal timer dem samme konditioner Våd temperatur, udtrykt som forskel til den tørre tempertur ( C) Antal ialt 765 Antal Tør temp ( C) >= (18,8) (18,0) (19,3) 2 (18,3) 1 (17,2) (18,5) 3 (17,5) (18,8) 3 (17,8) (17,1) (19,3) 8 (17,3) (17,6) (18,9) 1 (17,9) (18,2) 5 (17,2) (17,8) Kun befugtning af indblæsningsluft Ikke behov for køling Befugtning af både ind- og udblæsningsluft samt varmeveksling 11

12 Diabatisk køling Indirekte befugtning: Indblæsningsluften befugtes ikke, men køles med en luftstrøm, der befugtes løbende under kølingen

13 Varmedrevet køling, principper Ejektor Tør-sorption Våd-sorption Absorption Adsorption Vanddampkompression 13

14 Varmedrevet køling Ejektor Jo højere temperaturdifferenser man har desto bedre. Minimum 40K Pålidelig, vedligeholdelsesfri og simpel teknologi. Eksempel fra Herning E j e k t o r kraftvarmeværk: t_e = 9 C, t_c = 30, t_driv = 70, COP = 0,6. Dampgenerator Fordamper Kondensator 200Power steam inlet Nozzle Mixing chamber Diffusor Pressure sid Spildvarme Suction inlet 14

15 Varmedrevet køling Tør-sorption (køling af luft) Udnytter vands fordampningsvarme til køling af luft ved direkte indsprøjtning af vand (befugtning) Luftstrømmen skal være tør nok til at tillade fordampning af nok vand (lav relativ fugtighed) Kun når udeluften ikke er tør nok affugtes vha. sorption før befugtning Inlet water Max. 80 C Outlet air to ambient 44 C Ambient 35 C Wett bulb 22 C Drying inlet Air Heating outlet air if necessarry Cross Flow Heat Exchanger Air outlet 25 C Air inlet 17 C Based on cirkulating 3000 m3/h of air: Cooling Capacity = 16 kw Necessary heating capacity 10 kw 15

16 Varmedrevet køling Våd-sorption Som tør-sorption samt ingen termisk kortslutning mellem varm og kold side affugtning af luften og regenereringen kan afkobles (energilager) direkte opvarmning af absorbenten (lavere temperaturkrav til varmekilde) Befugtning Tørring Krydsvarmeveksler Befugtning Befugtning Udgangsluft Indgangsluft Blå gennemløb = køling Rød gennemløb = varme Tilslutning for varmt vand a' 70 C 16

17 Varmedrevet køling Absorption 17

18 Varmedrevet køling Adsorption Cyklisk drift Regenerering Køling 18

19 Varmedrevet køling Kompressor / expander Spildvarme til at drive et køleanlæg: Boot-strapped løsning mellem ekspander og kompressor Relativt lave drivtemperaturer (70-80 C) Høj effektivitet Lille størrelse Effekt turbine =190 [kw] PR turbine=14.68 PR kompr =1.27 Effekt kompr =190 [kw] Q exp =1511 [kw] Qf=11014 [kw] Qk=12526 [kw] T sol =85.59 [ C] Q s =2371 [kw] Tg=83.59 [ C] Tf=24.72 [ C] Tk=27.76 [ C] Areal kondensator = 300 Areal solfanger = 3500 [m2] M Vs = 4 [kg/sec] Q ug =859.4 [kw] M kond,ford = 800 [kg/sec] T1=23.29 [ C] T in = 20 [ C] M ret = 110 [kg/sec] Drikv=5.10 [kg/sec] Effekt pumper =50.03 [kw] Drikv aarlig =36061 [m3/aar] 19

20 Varmedrevet køling Sammenligning Ejector 20

21 Varmedrevet køling, COP 21

22 Varmedrevet varmepumpe og køling i kombination Absorption Ejektor Vanddampkompression 22