HUR KAN KYLA ALSTRAS? - Swegon

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?

Det första patentet på en metod att
alstra kyla togs av
Perkins 1834.
Jacob Perkins kylapparat från 1834.
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
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

I själva verket arbetade Perkins apparat enligt just den
arbetscykel som fortfarande används…
”Kompressorkylprocessen”
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH
E

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?
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Valet av arbetsmedium har varit en stor
fråga alltsedan Perkins dagar…
Perkins föreslog att använda Eter som arbetsmedium
Det ämne som används kallas
”köldmedium”.
på engelska: ”Refrigerant”.
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Trycken i systemet
bestäms av
temperaturerna i
förångaren (t2) och
kondensorn (t1).
p2
p1
t2
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH
t1
Val av
köldmedium
Enkelt?
Svårt?

Trycket då en vätska kokar beror på temperaturen….
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

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/m3
100000
10000
1000
100
R134a
R22
R32
Propane
Ammonia
R125
CO2
Water
0,1 1,0 10,0 100,0
Pressure, bar
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

”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).
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Energimässig jämförelse.
Hur påverkas energibehovet av köldmediet ?
Man kan definiera en sorts energimässig verkningsgrad för köldmediecykeln.
Carnotsk verkningsgrad, Cd
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
t 1 =40°C (för CO 2 : t 1 =20°C) underkylning=5°C; överhettning=5°C
0,6
-40 -30 -20 -10 0 10
”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. ångan.
Förångningstemperatur, t2, °C
R152a
R600a (Iso-Butan)
Ammoniak
R134a
Propan
R1234yf
R32
Swegon Air Academy ,2011 Eric Granryd , KTH
CO2

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
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

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 Eric Granryd , KTH

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 (CCl2F 2F2). 2). – Dessa
ämnen tillfredsställde alla (då kända) uppställda villkor.
Metan (”Naturgas”)
H
H C H
H
Freon 12
CFC12 (R12)
Cl
Cl C F
F
Freon 22
HCFC22 (R 22)
H
Cl C F
F

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
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

CFC och HCFC (”Freoner”) har fasats ut helt i
Sverige och i de flesta länder.
Från 1 1 januari 1995 1995 infördes i Sverige förbud att använda CFCCFCköldmedier i nya anläggningar och från 1 januari 1998 fick man
inte inte heller vid service fylla på CFC-köldmedier i befintliga
anläggningar. anläggningar. Totalt användningsförbud infördes från 1 januari
2000 (med (med undantag för anläggningar med < 900 gram fyllning).
Ersättningsämnen innehåller inte klor:
I de flesta fall s k HFC-ämnen (väte, fluor och kol).
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

I början på 1990-talet introducerades det
klorfria HFC-mediet R134a (C (C2H 2H2F 2F4) 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).
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Egenskaper för
Köldmedier
Många alternativ,
vissa ”naturliga...”
Sedan tabellen
skrevs har några få
alternativ tillkommit,
s.k. HFO-medier
som
har låga värden för
både ODP och GWP
Ozon Depletion. Global Warming..
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

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 2011 --? :
HFC-medier kommer troligen att avvecklas pga växthusinverkan.
Ersättning kan vara ny typ av ämnen, s.k. HFO-medier.
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

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.
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Mediets GWP (Global Warming Potential) anger vilken
växthuseffekt ämnet har jämfört med inverkan av CO CO2. 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, H2C3F4) 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 Eric Granryd , KTH

“Naturliga köldmedier”
Ammoniak: + Mycket bra termodynamiska egenskaper
- Giftig. (stark lukt kan skapa panik); Brännbar.
+/- Stål är OK men inte koppar.
Kolväten: + Bra termodynamiska egenskaper
+ Propan har “lagom” tryck. Konventionella komponenter.
(Iso-butan i kylskåp är numera standard!)
- Brännbara
CO2: + Höga tryck – ger små dimensioner
+ Bra värmeövergångsegenskaper
- Låg temperatur i kritiska punkten (31°C, 74 bar)
ger ofta transkritiska cykler och högt energibehov…
Vatten: + 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
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

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 Eric Granryd , KTH

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)
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

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

Absorptionskylanläggning för
luftkonditionering, AC system
Kyleffekter > 100 kW
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Electrolux
absorptionssystem.
===
Platen-
Munters
kylskåp utan
rörliga
delar…
Bara för små
kyleffekter,

Enkelt
intermittent
arbetande
värmedrivet
kylsystem.
Pumpa bort luften ur behållarna.
Fyll på ammoniak och vatten i ena halvan.
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

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
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

System Tepidus för energilagring
(sommar till vinter)…
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

System
Tepidus,
Energilagring
sommar till
vinter!
Installation
för fältprov
omkring
1980
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Andra ”alternativa” cykler…
• Gascykler (Omvänd gasturbin, Stirling…)
• Termoelektriska cykler
• Magnetokaloriska cykler
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Åter till konventionella system…
Drivenergibehov ?
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Temperatur T1
Temperatur T2
Värmeavgivning Q1
Kylanläggning
eller
Värmepump
Drivenergi
E
Värmeupptagning Q2
Kvoten mellan Q2 och E kallas köldfaktorn, COP2
Om T2 = 273K (0ºC) och T1 = 303K (30ºC) får vi:
(COP2)Carnot = 273/(30) ≈ 9
Värmeavgivning Q1=Q2+E
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH
Temperatur
Drivenergi
E
Värmeupptagning Q2
T1
T2
T= 0, K

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
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Exempel:
Verkningsgrad för kompressorer
Isentropic efficiency
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Scroll 1994
Recip 1994
A1 78
A2 78
B1 78
B2 80
P 94
Sc 94
Sc 04
Scroll 2004
Recip 1980
0 2 4 6 8
Pressure ratio
Recip 1978
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Exempel:
Vilken värmefaktor kan man vänta för en värmepump??
Temperatur
”sänka” Tsänka
”källa” Tkälla
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
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH
Q1
Q2
E

MEN vi behöver temperaturdifferenser för värmetransport!
Tsänka = 20 °C
Tkälla = 0 °C
Temperatur T1 Q1
temp.differens
”sänka” Tsänka
”källa” Tkälla
temp.differens
T2 Q2
Antag: 8°C temperaturdifferens i både förångare och kondensor.
Antag: 15°C differens för värmedistribution via radiatorsystem!
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH
E

Vad kan göras i själva kylanläggningen för att spara energi?
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Förutsättningar för att spara energi…
Se till att ”temperaturlyftet” ”temperaturlyftet” är litet!!
Drivenergibehovet för en given kyleffekt är grovt
räknat proportionellt mot skillnaden skillnaden mellan mellan varma varma
och och kalla kalla sidans sidans temperaturer, TT 1-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!
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Temperatur T1
Temperatur T2
Värmeavgivning Q1
Kylanläggning
eller
Värmepump
Drivenergi
E
Värmeupptagning Q2
Kom ihåg…
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH
Temperatur
Drivenergi
E
Värmeupptagning Q2
T1
T2
T= 0, K

För att spara energi vid
kylanläggningar och värmepumpar är
det alltså viktigt att
skapa system med
små temperaturlyft !
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Tack
för uppmärksamheten
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

Förångningsprocessen i
ett tillståndsdiagram
för köldmediet.
Strypventil
Kondensor
Förångare
Kompressor
Val av
köldmedium
Enkelt?
Svårt?
Swegon Air Academy, 2011 Eric Granryd , KTH

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