9. ELŐADÁS
A HŰTÉS ENERGETIKÁJA
HŐTŐGÉP - HATÁSOSSÁG JELLEMZŐI CARNOT – HATÁSFOK A „legjobb”, ún. „ideális” hőerőgép hatásfoka. A „T-S” – diagram alapján: C =(Tk-Te)/Tk Ahol: Tk – a meleg egység hőmérséklete, K; Te – a hideg egység hőmérséklete, K SZÁLLÍTÁSI FOK Ez a kompresszor tényleges hatásfoka: λ η V η t 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: COPe= Te/(Tk-Te)= e Effektív (tényleges) értéke a kompresszorra, mérés alapján: COPeff= eff= Qo/Peff =f(Te, Tk) Ahol: Qo - tényleges hűtőteljesítmény; Peff – 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!
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)
EGY- ÉS KÉTFOKOZATÚ HŰTÉSI RENDSZEREK HŰTŐKOMPRESSZOROK ALKALMAZÁSÁNAK HŐMÉRSÉKLET TARTOMÁNYAI Klimakompresszorok: Te = -5 … +15 oC; Hűtőkompresszorok: Te = -25 – -5 oC; Mélyhűtő kompresszorok: Te = < - 25 oC. 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 (Qo), az elpárologtatási (Te) és a várható kondenzációs hőmérséklet (Tk), 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 pf=(pk,F . pe,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.
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.
ENERGIAMEGTAKARÍTÁS AZ ELPÁROLOGTATÓKNÁL A MEGOLDÁS ELVE Elpárologtatónál a megoldás: az elpárologtatatási hőmérséklet (Te) növelése. Mivel a hűtött termék hőmérséklete (Tt) előírás, ezért a cél a Te = (Tt-Te) - az ún. „elszívási hőmérséklet különbség” csökkentése (pl. 5-10 oC-ról 2-3 oC-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)
ENERGIAMEGTAKARÍTÁS A KONDENZÁTOROKNÁL A MEGOLDÁS ELVE Az elméleti - COP képlete (ld. 2. dia) alapján látható, hogy a megoldás: a Tk csökkentése. Ezzel egyenértékű a kondenzációs nyomás (pk) csökkentése. Szokás a (Tk-Te) érték csökkentéséről beszélni, de a Te 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
HŐVISSZANYERÉS A KONDENZÁTORNÁL 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: Tk = (30-35 oC) körül van, ha magasabb hőmérsékletű (pl. 60 oC feletti) vizet akarunk nyerni, hőhasznosításra csak a gázhűtés során leadott hőt, valamint a kondenzációs hő egy részét (az összes hő kb. 15-30 %-át) lehet felhasználni. Ugyanakkor a jobboldali ábrából látható, hogy ellenáram esetén a kondenzációs T lg(p) T2 hőmérsékletnél Tv,ki magasabb Tk 3 3’ T2’ 2’ T3’ 2 Tk hőmérsékletű T3 (Tv,ki>Tk) víz is előállítható. Te Tv,2’ Kritikus, hogy Tv,be 4 1 (T 2’-Tv,2’) megfelelően A h nagy legyen.
HŐVISSZANYERÉS ESZKÖZEI, FORRÁSAI HŐSZIVATTYÚ (HEAT PUMP) A „hőszivattyú” olyan berendezés, mely arra szolgál, hogy az alacsonyabb hőmérsékletű (T < 40 oC) 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.
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)
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.
HŰTŐSZEKRÉNY ENERGETIKAI JELÖLÉSE ÉS „LCA” ENERGIACÍMKE
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: www.ecodesignarc.info/servlet/is/677/
