Lars Reinholdt
Center for Køle- og varempumpeteknik Teknologisk Institut
Køling
Hvad er køling?
Den køletekniske opgave er at flytte varmen Qkøl fra den lave temperatur Tkøl til omgivelsernes temperatur Tomg
Teoretisk maksimal COP
(coefficient Of Performance)ørsel Effekttilf
Køleydelse COP ≡
køl omg
omg driv
driv køl termisk
ideel
T T
T T
T COP T
−
= * −
,
Mekanisk drevet
Termisk drevet
køl omg
køl mekanisk
ideel
T T
COP T
= −
,
Teoretisk maksimal COP
Termisk drevet kølemaskine ved 28 °C omgivelser
1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50
COPideel
Tkøl = 3°C Tkøl = 9°C Tkøl = 15°C
22,2 28
15
14,8 28
9
11,0 28
3
COP Tomg
Tkøl
Mekanisk drevet kølemaskine
Mekanisk <> termisk drevet
COP har stor betydning for, hvor meget varme, der skal fjernes i køletårnet.
Dette kan være forbundet med et stor elforbrug.
qheat
20 kW
qcold
10 kW
qreject
30 kW Thermal
driven cooling
device COP = 0,5
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)
Luftkøling: Fordampning af vand i luft
Lufttemperatur DRY referenceår
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
1 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501 4001 4501 5001 5501 6001 6501 7001 7501 8001 8501
Timenummer
Temperatur [°C]
Antal ialt 1579 Antal Tør temp
(°C) 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 >=11
32 - 33 1 1
31 - 32 0
30 - 31 2 2
29 - 30 2 1 3
28 - 29 2 3 5
27 - 28 2 1 3 2 8
26 - 27 1 2 1 5 5 14
25 - 26 1 3 5 4 3 1 3 1 21
24 - 25 1 3 9 7 8 4 1 33
23 - 24 10 14 13 3 7 47
22 - 23 1 8 12 17 11 8 3 60
21 - 22 2 6 25 22 9 6 3 4 77
20 - 21 1 1 10 25 34 21 5 5 3 1 106
19 - 20 5 5 12 52 26 20 2 4 6 132
18 - 19 10 15 50 41 38 19 8 7 1 189
17 - 18 30 40 48 41 41 16 12 5 233
16 - 17 57 67 51 50 34 26 5 4 2 296
15 - 16 83 92 59 58 31 17 9 3 352
DRY standardår
Antal timer dem samme konditioner
Våd temperatur, udtrykt som forskel til den tørre tempertur (°C)
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)
Adiabatisk køling
Air Outlet
Air inlet
Cross flow heat exchanger
Dryinghumidifier humidifier
humidifier
Heat inlet max. 80°C
0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
T [°C]
10°C 15°C
20°C
25°C
30°C 35°C
0.2 0.4 0.6 0.8
0.8 0.825 0.85 m
3/kg 0.875
Fugtig luft
--- Luft indblæsning --- Luft udblæsning
TDRY=19 [C]
TWET=14 [C]
TI5s et=20 [C]
TU1=23 [C]
P1=1,013 [bar]
TDRY = 19 [C] TWET = 14 [C] ηvx = 0
MIND = 0,67 [kg/s] ηbfind = -0,2045
TU1 = 23 [C]
MUD = 0,67 [kg/s]
ηbfud = 0,95
TI5set = 20 [C]
TI2 = 19 [C] TI3 = 19 [C] TI4 = 20 [C]
TU2 = 15,73 [C]
TU3 = 15,73 [C]
TU4 = 15,73 [C]
XU1g = 7,95 [g/kg]
RFU2 = 0,97 [RF] RFU1 = 0,45 [RF]
RFU3 = 0,97 [RF]
RFU4 = ???? [RF]
RFI1 = 0,58 [RF]
RFI2 = 0,58 [RF] RFI3 = 0,58 [RF] RFI4 = 0,52 [RF]
RFI5 = 0,52 [RF]
Sorptionsdelen er ikke aktiv
XI1 = 0,007905 [kg/kg]
XI2 = 0,007905 [kg/kg] XI3 = 0,007905 [kg/kg]
XI3W = 0,009873 [kg/kg]
XI4 = 0,007503 [kg/kg]
XI5 = 0,007503 [kg/kg]
XU1 = 0,00795 [kg/kg]
XU1W = 0,01104 [kg/kg]
XU2 = 0,01088 [kg/kg]
XU3 = 0,01088 [kg/kg]
XU4 = 0,01088 [kg/kg]
BEFUGTI4 = -0,2696 [g/sec]
BEFUGTU2 = 1,966 [g/sec]
Befugtning = 6,107 [kg/h]
Ventilatorer og trykfald ikke medregnet
Samlet vandforbrug til fordampning, uden "bleed":
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.
Antal ialt 418 Antal Tør temp
(°C) 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 >=11
32 - 33 1 1
31 - 32 1
30 - 31 2 2
29 - 30 2 1 4
28 - 29 2 3 6
27 - 28 2 1 3 2 10
26 - 27 1 2 1 5 5 16
25 - 26 1 3 5 4 3 1 3 1 24
24 - 25 1 3 9 7 8 4 1 38
23 - 24 10 14 13 3 7 48
22 - 23 1 8 12 17 11 8 3 69
21 - 22 2 6 25 22 9 6 3 4 83
20 - 21 1 1 10 25 34 21 5 5 3 1 116
19 - 20 5 5 12 52 26 20 2 4 6 0
18 - 19 10 15 50 41 38 19 8 7 1 0
17 - 18 30 40 48 41 41 16 12 5 0
16 - 17 57 67 51 50 34 26 5 4 2 0
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)
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).
Antal ialt 765 Antal Tør temp
(°C) 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 >=11
32 - 33 1 (18,8) 1
31 - 32 1
30 - 31 2 2
29 - 30 2 1 4
28 - 29 2 3 6
27 - 28 2 (18,0) 1 3 2 10
26 - 27 1 (19,3) 2 (18,3) 1 (17,2) 5 5 16
25 - 26 1 (18,5) 3 (17,5) 5 4 3 1 3 1 24
24 - 25 1 (18,8) 3 (17,8) 9 7 8 4 1 38
23 - 24 10 (17,1) 14 13 3 7 48
22 - 23 1 (19,3) 8 (17,3) 12 17 11 8 3 69
21 - 22 2 (17,6) 6 25 22 9 6 3 4 83
20 - 21 1 (18,9) 1 (17,9) 10 25 34 21 5 5 3 1 116
19 - 20 5 (18,2) 5 (17,2) 12 52 26 20 2 4 6 150
18 - 19 10 (17,8) 15 50 41 38 19 8 7 1 197
17 - 18 30 40 48 41 41 16 12 5 0
16 - 17 57 67 51 50 34 26 5 4 2 0
15 - 16 83 92 59 58 31 17 9 3 0
Kun befugtning af indblæsningsluft Ikke behov for køling Befugtning af både ind- og udblæsningsluft samt varmeveksling
Antal timer dem samme konditioner
Våd temperatur, udtrykt som forskel til den tørre tempertur (°C)
DRY standardår
Diabatisk køling
”Indirekte” befugtning: Indblæsningsluften befugtes ikke, men køles med en luftstrøm, der befugtes løbende under kølingen
1
2
4
5
1
2 3
4
Varmedrevet køling, principper
Ejektor
Tør-sorption
Våd-sorption
Absorption
Adsorption
Vanddampkompression
Ejektor
¾
Jo højere temperaturdifferenser man har desto bedre. Minimum 40K
¾
Pålidelig, vedligeholdelsesfri og simpel teknologi.
¾
Eksempel fra Herning kraftvarmeværk: t_e = 9°C, t_c = 30, t_driv = 70, COP = 0,6.
Dampgenerator Fordamper Kondensator
E j ekt or
200 Power ste am inlet
Suction inlet
Pressure sid
Nozzle Mixing chamber Diffusor
Spildvarme
Varmedrevet køling
Tør-sorption (køling af luft)
¾
Udnytter vands fordampningsvarme til køling af luft ved direkte indsprøjtning af vand (befugtning)
¾
Luftstrømmen skal være ”tør nok” til at tillade fordampning af nok vand (lav relativ fugtighed)
¾
Kun når udeluften ikke er tør nok affugtes vha. sorption før befugtning
Drying inlet Air Cross Flow Heat Exchanger
Heating outlet air if necessarry Inlet water Max .
80°C
Air outlet
Air inlet Ambient
17°C 25°C Outlet air to ambient 44°C
35°C
Wett bulb 22°C
Based on cirkulating 3000 m3/h of air:
Cooling Capacity = 16 kW
Necessary heating capacity 10 kW
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)
Udgangsluft
Indgangsluft
Krydsvarmeveksler
TørringBefugtning Befugtning Befugtning
Varmedrevet køling
Absorption
Varmedrevet køling
Varmedrevet køling
Adsorption
Cyklisk drift
Regenerering Køling
Kompressor / expander
¾
Spildvarme til at drive et køleanlæg: Boot-strapped løsning mellem ekspander og kompressor
¾
Relativt lave drivtemperaturer (70-80°C)
¾
Høj effektivitet
¾
Lille størrelse
MVs= 4 [kg/sec]
T1=23.29 [°C]
Tf=24.72 [°C]
Tk=27.76 [°C]
Tg=83.59 [°C]
Qs=2371 [kW]
Qexp=1511 [kW] Qf=11014 [kW] Qk=12526 [kW]
Qug=859.4 [kW] Mkond,ford= 800 [kg/sec]
Drikv=5.10 [kg/sec]
Tin= 20 [°C]
Mret= 110 [kg/sec]
Tsol=85.59 [°C]
Effektturbine=190 [kW] Effektkompr=190 [kW]
Arealkondensator= 300 PRkompr=1.27
PRturbine=14.68
Arealsolfanger= 3500 [m2]
Drikvaarlig=36061 [m3/aar]
Effektpumper=50.03 [kW]
Varmedrevet køling
Sammenligning
Varmedrevet køling
Ejector
×
Varmedrevet køling, COP
Varmedrevet varmepumpe og køling i
”kombination”
• Absorption
• Ejektor
• Vanddampkompression
