Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, 2011 Luku 11 JÄÄHDYTYSPROSESSIT Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Tavoitteet Esitellään jäähdytyskoneiden ja lämpöpumppujen periaatteita ja niiden suorituskyvyn arviointia. Analysoidaan ideaalista höyry-puristus -jäähdytyskiertoprosessia. Analysoidaan todellista höyry-puristus - jäähdytyskoneprosessia. Katsaus oikean kylmäaineen valitaan eri sovelluksiin. Selitetään jäähdytyskone ja lämpöpumppujen toimintaa. Arvioidaan innovatiivisten höyry-puristusprosessien toimintaa. Analysoidaan kaasu-jäähdytysjärjestelmiä. Esitellään absorptio-jäähdytysjärjestelmiä. 2 1
JÄÄHDYTYSKONEET JA LÄMPÖPUMPUT Lämmönsiirtäminen alhaisen lämpötilan paikasta korkean lämpötilanm paikkaan vaatii erityisen laitteita jäähdytyskoneita. Jäähdytyskoneet ja lämpöpumput ovat olennaisesti samoja laitteita; ne eroavat vain käyttötarkoitukseltaan. Q L ja Q H vakioarvoille Jäähdytyskoneen tarkoitus on siirtää lämpöä (Q L ) kylmästä kohteesta; lämpöpumpun tarkoitus on tuottaa lämpöä (Q H ) lämpimään ympäristöön. 3 Käännetty Carnot-prosessi on tehokkain jäähdytys-prosessi, joka toimii lämpötilavälillä T L and T H. Se ei kuitenkaan ole käypä malli jäähdytysprosessille koska prosessit 2-3 ja 4-1 eivät ole toteutettavissa käytännössä Prosessi 2-3 sisältää neste-höyryseoksen puristuksen, joka edellyttää kompressoria, joka kykenee toimimaan kaksifaasitilassa olevalla kylmäaineella, ja prosessi 4-1 sisältää korkean kosteuspitoisuuden omaavan kylmänesteen paisunnan turbiinissa. KÄÄNNETTY CARNOT- PROSESSI Molemmat tehokertoimet COP kasvavat kun ero näiden kahden lämpötilan välillä pienenee, siis kun T L kasvaa tai T H laskee. Käännetyn Carnot jäähdytyskoneen T-s kaavio. 4 2
IDEAALINEN HÖYRY-PURISTUS JÄÄHDYTYSPROSESSI Höyry-puristusjäähdytyskiertoprosessi on ideaalinen malli jäähdytyskoneille. Päinvastoin kuin käännetyssä Carnot.prosessissa, kylmäaine höyrystetään täysin ennenkuin se kokoonpuristetaan, turbiini on korvattu kuristusventtiilillä. 1-2 Isentrooppinen puristus kompressorissa 2-3 Vakiopaineinen lämmönluovutus kondensaattorissa 3-4 Kuristus paisuntalaitteessa 4-1 Vakiopaineinen lämmönvastaanotto höyrystimessä Eniten käytetty prosessi jäähdytyskoneis sa, ilmastointisystee meissä ja lämpöpumpuissa. Ideaalisen höyry- puristusjäähdytys-prosessin T-s kaavio. 5 Ideaalinen höyry-puristus jäähdytyskiertoprosessi sisältää palautumattoman (kuristus) prosessin, ja on siten realistisempi malli todelliselle systeemille. Paisuntaventtiilin korvaaminen turbiinilla ei ole järkevää, koska saatu lisähyöty ei korvaa lisäkustannuksia ja prosessin lisääntynyttä monimutkaisuutta. Jatkuvuustilan energiatase Kotitalouksissa tavanomainen jääkaappi. Ideaalisen höyry-puristusjäähdytyskoneen P-h kaavio. 6 3
Esimerkki 11-1 Jääkaappi toimii höyrypuristusprosessina paineiden 0.14 ja 0.8 välillä. Kylmäaineen (R134a) massavirta on 0,05 kg/s, laske a) Lämmönpoisto jäähdytetävästä tilasta ja kompressorin tehontarve. b) Lämmönluovutus ympäristöön c) Jääkaapin tehokerroin (COP) 7 TODELLINEN HÖYRY-PURISTUSJÄÄHDYTYSPROSESSI Todellinen höyry-puristusjääähdytysprosessi eroaa ideaalisesta monella tavalla, johtuen pääasiassa eri komponenttien palatumattomuuksista, johtuen pääasiassa virtauskitkasta (aiheuttaa painehäviöitä) ja lämmönsiirrosta ympäristöön tai ympäristöstä. Tehokeroin COP laskee palautumattomuuksien vuoksi. EROAVUUDET Ei-isentrooppinen puristus Tulistettu höyry höyrystimen jälkeen Alijäähtynyt neste lauhduttimen ulostulossa Painehäviöt lauhduttimessa ja höyrystimessä Todellisen höyry-puristusjäähdytysprosessin T-s kaavio. 8 4
ESIMERKKI 11-2 Kylmäaine R134a johdetaan tulistettuna höyrynä tilassa 0.14 Mpa ja -10 C kompressoriin. Massavirta on 0.05 kg/s ja kylmäaine poistuu tilassa 0.8 MPa ja 50 C. Kylmäaine jäähtyy lauhduttimessa 26 C ja 0,72 Mpa ja kuristetaan 0,15 MPa,. Jätetään huomiotta lämmönsiirtyminen ja painehäviöt yhdysputkissa. Laske a) Lämpövirta jäähdytetystä tilasta ja kompressoriin tuotu työ, b) Kompressorin isentrooppinen hyötysuhde, c) Jääkaapin tehokerroin. 9 OIKEAN KYLMÄAINEEN VALINTA Jäähdytyskoneissa voidaan käyttää useita eri kylmäaineita, kuten kloorifluorihiilivedyt (CFC), ammoniakki, hiilivedyt (propaani, etaani, etyleeni, jne.), hiilidioksidi, ilma (lentokoneiden ilmastoinnissa) ja jopa vettä (veden jäätymislämpötilan yläpuolella). R-11, R-12, R-22, R-134a ja R-502 kattavat yli 90 prosenttia käytöstä. Teollisuudessa ja raskaissa kaupallisissa laitteisssa käytetään ammoniakkia (se on myrkyllistä). R-11 käytetään rakennusten ilmastointijärjestelmien veden jäähdytyskoneissa. R-134a (korvaa R-12, joka vaurioittaa otsonikerrosta) käytetään kotitalous jääkaapeissa ja pakastimissa kuten myös autojen ilmastointilaitteissa. R-22 käytetään ikkunailmastointilaitteissa, lämpöpumpuissa, liiketilojen ilmastointikoneissa ja suurissa teollisuuden ilmastointi järjestelmissä ja se on ammoniakin vahva kilpailija. R-502 (R-115 ja R-22 seos) on käytetyin kylmäaine kaupallisissa systee,eissä kuten esimerkiksi marketeissa. CFC päästävät enemmän ultravioletti säteilyä maan ilmakehään tuholamalla suojaavan otsonikeroksen ja siten tuottaen kasvihuoneilmiön joka aiheuttaa globaalin lämpiämisen. Täysin halogenisoidut CFC (kuten R-11, R-12 ja R-115) vaurioittavat eniten otsonikerrosta. Kylmäaineita, jotka eivät tuhoa otsonikerrosta on kehitetty. Kaksi tärkeää parametria, joita täytyy kylmäaineen valinnassa tarkastella ovat kahden tilan lämpötilat (jäähdytetyn tilan ja ympäristön) joiden välillä kylmäaine 10 siirtää lämpöä. 5
11 LÄMPÖPUMPUT Lämpöpumpulla voidaan lämmittää talvella ja jäähdyttää kesällä. Lämpöpumppujen yleisin lämmönlähde on ulkoilma (ilma- ilma järjestelmät). Vesilähdettä käyttävät järjestelmät käyttävät pohjavettä ja maaperää käyttävät järjestelmät (geotermiset) lämpöpumput käyttävät maaperää. Niillä on yleensä korkeammat tehokertoimet COP mutta ne ovat monimutkaisempia ja kalliimpia asentaa. Lämpöpumppujen teho ja hyötysuhde laskevat voimakkaasti alhaisissa lämpötiloissa. Siksi useimmat ilmalähde lämpöpumput vaativat korvaavavn lämmitysjärjestelmän kuten sähkölämmittimet tai öljykattilan. Lämpöpumput ovat kilpailukykyisimmillään alueilla joilla on suuri jäähdytys tarve kesäisin ja suhteellisen pieni lämmitystarve lämmityskaudella. Näillä alueilla lämpöpumppu voi toimia ainoana jäähdytys ja lämmityslähteenä kodeissa ja liikekiinteistöissä. 12 6
Tehokertoimet (COP) 13 INNOVATIIVISET HÖYRY- PURISTUSJÄÄHDYTYS JÄRJESTELMÄT Yksinkertainen höyry-puristus jäähdytyskiertoprosessi on eniten käytetty jäähdytysprosessi ja se sopii useimpiin jäähdytystarpeisiin. Tavalliset höyry-puristusjäähdytys systeemit ovat yksinkertaisia halpoja, luotettavia ja käytännössä huoltovapaita. Kuitenkin suurisssa teollisissa sovelluksissa on hyötysuhde, ei yksinkertaisuus, päätavoite. Myös joissakin sovelluksissa yksinkertainen höyry-puristusprosessi on riittämätön ja tarvitsee muutoksia Kohtalaisen ja hyvin alhaisissa lämpötiloissa käytetään innovatiivisia järjestelmiä. Seuraavaksi esitellään seuraavat kiertoprosessit: Kaskadi jäähdytysjärjestelmät Monivaihepuristusjäähdytysjärjestelmät Monikäyttöiset jäähdytysjärjestelmät, joissa on yksi kompressori Kaasujen nesteytysjärjestelmät 14 7
Kaskadijäähdytyskonejärjestelmät Jotkin teollisuussovellukset vaativat kohtalaisia lämpötiloja ja lämpötila-alue, joilla ne toimivat on liian suuri yhdelle ainoalle höyry-puristusjäähdytysprosessille ollakseen käytännöllinen. Ongelmaan ratkaisun tarjoaa kaskadijärjestelmä. Kaskadi-kytkentä parantaa jäähdytysjärjestel män tehokerrointa COP. Joissakin järjestelmissä on kolmesta neljään porrasta. Kaksivaiheinen kaskadi jäähdytysjärjestelmä, joissa on sama kylmäaine molemmissa vaiheissa. 15 ESIMERKKI 11-4 Kaksiportainen kaskadijähdytysjärjestelmä toimii kahden paineen 0.8 MPa ja 0.14 MPa välillä. Molemmat portaat toimivat ideaalisen höyry-puristus-prosesssin mukaisesti. Kylmäaine on R134a. Lämmönluovutus alemmasta kierrosta ylempään tapahtuu adiabaattisessa vastavirtalämmönsiirtimessä johon molemmat virrat menevät noin 0.32 MPa paineessa. Massavirta on 0.05 kg/s. Laske a) Alemman kierron massavirta, b) Jäähdytettävän tilan lämmönluovutus ja kompressorin tehontarve, c) Järjestelmän tehokerroin. 16 8
Moniportaiset puristusjäähdytysjärjestelmät Jos kaskadijäähdytysjärjestelmässä käytetään samaa kylmäainetta molemmissa portaissa, vaiheiden välinen lämmönsiirrin voidaan korvata sekoituskammiolla, koska sillä on paremmat lämmönsiirto-ominaisuudet. Kaksivaiheinen puristusjäähdytysjärjestelmä, jossa on sekoituskamio. 17 ESIMERKKI 11-5 Kaksivaiheinen puristusjäähdytysjärjestelmä toimii kuvan mukaisten tilojen välillä. Kylmäaine on R134a. Kylmäaine lähtee lauhduttimesta kylläisenä nesteenä ja se kuristetaan sekoituskammiossa paineeseen 0.32 MPa. Osa kylmäaineesta höyrystyy tässä sekoitusprosessissa ja höyry sekoitetaan matalapaine kompressorista lähtevän kylmäaineeseen. Seos puristetaan sitten korkeapaine kompressorissa lauhdutuspaineeseen. Sekoituskammion neste kuristetaan höyrystimen paineeseen ja se jäähdyttää jähdytettävää tilaa höyrystyessään. Oletetaan, että kylmäaine lähtee höyrystimestä kylläisenä höyrynä ja että molemmat kompressorit ovat isetrooppisia, laske a) Sekoituskammiossa höyrystyvän kylmäaineen määrä, b) Jäähdytettävän tilan lämmönluovutus ja kompressoriin tehty työ, c) Tehokerroin. 18 9
Monikäyttöiset jäähdytysjärjestelmät, joissa on yksi kompressori Jotkin sovellukset vaativat jäähdytystä useammassa kuin yhdessä lämpötilassa. Käytännöllinen ja taloudellinen tapa on johtaa höyrystimien höyryvirrat samaan kompressoriin ja antaa sen tehdä puristustyö koko systeemille. Yhden kompressorin jäähdytys-pakastuskoneen kaavio ja T-s piirros. 19 Kaasujen nesteytys Monet kryogeenisissä lämpötiloissa (alle 100 C) toimivat tieteelliset ja tekniset prosessit vaativat kaasujen nesteytystä, esimerkiksi hapen ja typen erottaminen ilmasta, rakettipolttoaineiden valmistus, materiaalien ominaisuuksien tutkimus alhaisissa lämpötiloissa ja suprajohtavuuden tutkimus. Joidenkin kaasujen varastointi (vety) ja kuljetus ( maakaasu) niiden nesteyksen jälkeen hyvin alhaisissa lämpötiloissa. Monia innovatiivisia kiertoprosesseja käytetään kaasujen nesteytykseen. Kaasujen nesteytys Linde- Hampson prosessilla. 20 10
KAASUJÄÄHDYTYSKIERTOPROSESSIT Käännettyä Brayton-prosessia (kaasujäähdytysprosessi) voidaan käyttää jäähdytykseen. Yksinkertainen kaasujäähdytyskiertoprosessi. 21 Kaasujäähdytyskiertoprosesseilla on alhaisempi tehokerroin COP kuin höyry-puristus jääähdytysprosesseilla tai käännetyllä Carnotprosessilla. Käännetty Carnot-prosessi kuluttaa murto-osan nettotyöstä (ala 1A3B) mutta tuotta suuremman määrän jäähdytystä (B1 alla olevan kolmion ala). Lentokoneen avoin jäähdytysjärjestelmä. Huolimatta niiden melko alhaisista tehokertoimista COP, kaasujäähdytyskoneet sisältävät yksinkertaisia ja kevyitä komponentteja, joka tekee ne sopiviksi lentokoneiden jäähdytykseen ja niihin voidaan lisäksi yhdistää regenerointi. 22 11
Ilman regeneraatiota, turbiinin alhaisin sisäänmenolämpötila on T 0, ympäristön lämpötila tai jonkin muun jäähdytysväliaineen lämpötila. Regeneraation avulla korkeapaineineista kaasua jäähdytetään lisää T 4 :ään ennen paisuntaa turbiinissa. Turbiinin sisäänmenolämpötilan alentaminen laskee turbiinin lähtölämpötilaa automaattisesti, joka on samalla kiertoprosessin minimi lämpötila. Äärimmäisen alhaisia lämpötiloja voidaan saavuttaa toistamalla regeneraatioprosessi. Kaasujäähdytysprosessi, jossa on regeneraatio. 23 ABSORPTIOJÄÄHDYTYSJÄRJESTELMÄT Jos käytettävissä on halpa lämmönlähde lämpötilassa 100-200 C niin silloin absorptiojäähdytys kannattaa. Muutamia esimerkkejä: geoterminen energia, aurinkoenergia ja yhdistettyjen prosessien tai höyryvoimalaitosten jätelämpö ja jopa maakaasu kun sen hinta on alhainen. Ammoniakkiabsorptionjäähdytysprosessi 24 12
Absorptio jäähdytysjärjestelmiin sisältyy kylmäaineen absorptio kuljetusväliaineeseen. Eniten käytetty järjestelmä on ammoniakki vesi järjestelmä, jossa ammoniakki (NH 3 ) toimii kylmäaineena ja vesi (H 2 O) kuljetusväliaineenä. Muita järjestelimiä ovat vesi litium-bromidi ja vesi litium-kloridi järjestelmät, joissa vesi toimii kylmäaineena. Nämä järjestelmät toimivat sovelluksissa, joissa minimi lämpötila on on veden jäätymislämpötilan yläpuolella, kuten ilmastointi. Verrattuna höyry-puristusprosesseihin, absorptiojärjestelmillä on on yksi merkittävä etu : Nestettä kokoonpuristetaan höyryn sijaan ja siksi työn tuonti on hyvin pieni (noin prosentin suuruusluokkaa generaattorille tuodusta lämmöstä) ja siksi usein jätetään analyysistä pois. Absorptio jäähdytysjärjestelmät ovat lämpö-käyttöisiä järjestelmiä. Absorptiojäähdytysjärjestelmät ovat paljon kalliimpia kuin höyry-puristus jäähdytysprosessit. Ne ovat monimutkaisempia, vievät enemmän tilaa ja ovat vähemmän tehokkaita sekä vaativat suurempia jäähdytystorneja lämmön poistoon ja lisäksi ne ovat vaikeampia huoltaa, koska ne ovat harvinaisempia. Siksi absorptiojäähdytysjärjestelmiä tulee harkita vain jos lämpöenergian yksikkökustannukset ovat alhaiset ja niiden oletetaan pysyvän halvempana kuin sähkölenergia. Absorptiojäähdytysjärjestelmiä käytetään suurissa kaupallisissa ja teollisissa järjestelmissä. 25 Todellisen absorptiojäähdytysjärjestelmän tehokerroin COP on yleensä alle 1. Imastointilaitteita, jotka perustuvat absorptiojäähdytykseen, kutsutaan absorptio viilentäjiksi, ne toimivat parhaiten kun lämmön lähde pystyy tuottamaan lämpöä korkeassa lämpötilassa pienellä lämpötilan laskulla. Absorptiojäähdytysjärjestelmän maksimi tehokertoimen (COP) määritys. 26 13
Yhteenveto Jäähdytyskoneet ja lämpöpumput Käänteinen Carnot-kiertoprosessi Ideaalinen höyry-puristus-jäähdytys - kiertoprosessi Todellinen höyry-puristus-jäähdytys - kiertoprosessi Oikean kylmäaineen valinta Lämpöpumppujärjestelmät Innovatiiviset höyry-puristus-järjestelmät 27 14