ASE8060 Soojusjõuseadmete termodünaamika, Mereakadeemia tudengitele Külmutusprotsessid 2006 sügis 1
Külmutusprotsessi (soojuse transformatsiooni) teoreetilised alused Ülevaade külmatehnika ajaloost Sajandeid on inimesed teadnud, et vee aurustumisega kaasneb jahutusefekt. Teadmata küll asja olemust ja teoreetilist sisu, tundsid inimesed, et see keha osa, mis on märjaks saanud ja hakkab kuivama õhus, tundub külmana. Teada on, et Egiptuses vähemalt 2 sajandil kasutati, aurustumisega jahutati veeanumaid, kirjanduses on andmeid, et muistse Indias rakendati aurustumisega jää tegemist (Ibrahim Dincer. Refrigeration System and Applications, 2003.) Robert Boyle (1627-1961), inglise keemik- füüsik, uuris gaaside paisumist tegi kindlaks, et vesi aurustub vaakumis. Esimesed katsed toota külma mehaaniliselt oli just kasutada vee aurustumise (faasimuundumise soojust) jahtumise efekti. Leidsin, et Ibrahim Dincer raamatus, et 1755. aastal Šoti füüsik William Cullen suutis luua piisavalt madala temperatuuri, et toota jääd. Selleks ehitas ta seadme, vaakumpumbaga veeanuma. Aastal 1777 lisas saksa füüsik Walther Hermann Nerst vaakumanumasse seal tekkiva veeaurude sidumiseks väävelhapet, mille tulemusena vesi jäätus. 1810. a. valmis esimene jäägeneraator. 1834.a. valmistas Jacob Perkins (ameeriklane, kes töötas Inglismaal) etüüleetri baasil maailma esimese pidevalt töötava külmutusseadme. See masin on prototüübiks tänapäeva kompressorkülmutusseadmetele, seal olid kasutusel kõik põhielemendid: aurusti, kondensaator, kompressori ülesandeid täitev pump ja drossel. Kogu tööprotsess toimus aga külmutusagensina kasutatud etüüleetri füüsikalistest omadustes lähtuvalt atmosfäärist madalamal töörõhul. 1844.a. valmistas ameeriklane Jon Corien õhuga töötava külmutusseadme. 1864.a. leiutati ammooniumhüdroksiidil töötav absorberkülmutusseade, juurutas tööstuslikult selle hollandlane Littman. 1871.a. Edward Teller valmistas metüüleetril baasil töötava külmutusseadme. 2
1872. a. Võttis David Boyle patendi ammoniaagiga töötavale külmutusseadmele, teostas aga töötava seadme 1876. a. siiski Carl Linde. 1881.a. ehitas Carl Linde ka süsihappegaasiga töötava külmutusseadme. Üldmõisted Soojuse transformatsioon on soojuse ülekandmine madala temperatuuriga kehalt kõrgema temperatuuriga kehale. Kuidas toimib?: Vastavalt termodünaamika teisele seadusele võib soojuse transformatsioon toimuda vaid välise energia või soojuse arvel. Sõltuvalt madalama temperatuuriga keha ja kõrgema temperatuuriga keha temperatuuride suhtest väliskeskkonna temperatuuri jagatakse protsesse: Külmutusprotsessid- alumine soojusallika temperatuur on madalam väliskeskkonna temperatuurist, ning ülemise keha temperatuur võrdub väliskeskkonna temperatuuriga Soojuspumpprotsess- alumine soojusallika temperatuur on kas võrdne või suurem väliskeskkonna temperatuurist ning ülemise allika temperatuur ületab väliskeskkonna temperatuuri Kombineeritud jahutus-külmutus-soojuspumpprotsessid-alumine soojusallika temperatuur on madalam kui keskkonna temperatuur ja ülemise allika temperatuur on kõrgem kui väliskeskkonna temperatuur Külmutusagensid aine, mille abil viiakse soojust madalama temperatuuriga kehalt kõrgema temperatuuriga kehale, ained, millel on: kõrge küll rõhk, kõrged kriitilised parameetrid, neutraalne mõju osoonikihile, ei soodusta kasvuhooneefekti, vähe toksilised, mitte tuleohtlikud, ei juhi elektrit, suur tihedus, stabiilsed omadused pika aja vältel, ei lahustu, ei kahjustaks materjale, hind, kättesaadavus. 3
Joonis.1.a) Külmuti, eesmärk: eemaldada soojust, saada keskmist külma b) Soojuspump: eesmärk: varustada soojaga Iseloomustame protsessi kas jahutusteguri või soojusteguriga ( ing. keeles coefficient of performance COP kas COP R või COP HP ) Vastavalt eelmise joonise tähistele: COP R = soovitud _ tulemus vaja min e _ tegevus = külmutuse _ efekt Sooritatud _ töö = w Q L NET. IN COP HP = soovitud _ tulemus vaja min e _ tegevus = soojus _ efekt Sooritatud _ töö = w Q H NET. IN Eesti keelses kirjanduses kannavad nad nime (teoreetiline) jahutustegur ε ja (teoreetiline) soojustegur ξ, kusjuures ξ on alti suurem kui 1 (ξ>1) Sõna teoreetiline käib ideaalsete ehk tagastatavate protsesside kohta. 4
Viimastest kõige täiuslikum on Carnot pöördringprotsess (joon. 2). T T 4 3 l o T 0 1 q o 2 s Joon.2 Carnot ringprotsessi kujutamine Ts-diagrammil 2-3 Termodünaamilise keha temperatuur tõstetakse isoentroopilise komprimeerimisega temperatuurilt T 0 temperatuurini T. Luuakse tingimus soojuse ülekandmiseks termodünaamiliselt kehalt väliskeskkonda 3-4 Isotermilisel komprimeerimisel eemaldatakse soojushulk q 4-1 Termodünaamiline keha paisub isoentroopselt olekuni 4, mille jooksul temperatuur langeb T-lt kuni T o ni 1-2 Termodünaamiline keha paisub isotermiliselt, termodünaamilisele kehale antakse soojushulk q 0 Ringprotsessi töö on avaldatav komprimeerimistöö l ko ja paisumistöö l do vahena kj/kg: l o = l ko - l do. (1) Ringprotsessist eemaldatav soojushulk kj/kg: q = q o + l o, (2) 5
kus q o on jahutatavalt objektilt võetav soojushulk kj/kg. Ideaalse külmutusseadme teoreetiline jahutustegur qo q ε = = q q l o o o. (3) Carnot pöördringprotsessi teoreetiline jahutustegur ε C = To T T o. (4) Ideaalse soojuspumba teoreetiline soojustegur ϕ o q = = l o q o + l l o o = ε +1. (5) o 6
Ülaltoodud valemitest nähtub, et Carnot pöördringprotsessi jahutustegur on seda suurem, mida väiksem on suhe T H /T L Tööprintsiibilt jagunevad soojusetransformaatorid: kompressor, ežektor absorbtsioonseadmeteks termo-elektrilised, magnetilisi (Ranken-Hilschi efektil põhinevad) Olenevalt termodünaamilises keha omadusest (agensist) jagunevad kompressorseadmed: gaasi-kompressor külmutusseadmed aur-kompressor külmutusseadmed Soojustransformaatori koostisosad: 7
kompressor või pump termodünaamilise keha paisuti- kas spetsiaalses masinas detandris või drosselseadmes- paisudes teeb keha tööd. Aurukompressor külmseadme ringprotsess Termodünaamiliseks kehaks sobib aine, millel on kogu ringprotsessis kõrge küll rõhk, kuid suur faasimuundus soojus, kõrged kriitilised parameetrid. Kasutatakse termodünaamilise kehana tasakaalus olevat kahefaasilist ainet on isobaarilises protsessis ühtlasi ka isotermne protsess, see loob eeldused carnot pöördringprotsessi tehniliseks teostamiseks. Tuntumad (nn. klassikalised) kehadeks on kloormetüül (CH 3 Cl), ammoniaak (NH 3 ), freoonid... Külmutusseade koosneb neljast põhielementi: kompressor kondensaator drossel aurusti Kogu praktiline jahutusprotsess kulgeb tegelikult aurusti abil, kus madal keemistemperatuuriga külmaagens aurustub jahutatavalt kehalt saadava soojuse mõjul. Aurustumiseks kulunud soojuse tõttu jahtub nii aurustit ümbritsev jahutuskamber kui ka seal hoitav kaup. Kolm ülejäänud seadet-kompressor, kondensaator, ja drossel on vajalikud üksnes vedela külmagensi taastootmiseks ja sellega külmutusseadme püsiva keemisrežiimi tagamiseks. Kompressori ülesandeks on tekkinud külmaagensi aurude komprimeerimine. Et vedela külmaagensi keemine on isobaarne-isotermne 8
protsess, siis aurustis aurustavale vedelale külmaagensile püsiaurustustemperatuuri tagamiseks peab ka aurustusrõhk aurustis olema muutumatu. Seega normaalseks tööks vajaliku püsirõhu saavutamiseks peab kompressori imemisvõime ja keemisel eralduvate aurude tekkeintensiivsus omavahel vastavuses olema. Aurustis nn. imetud aurud komprimeeritakse rõhuni p 2 ja suunatakse kondensaatorisse veeldamiseks. Kondensaatori ülesanne on aurustis tekkivate aurude kondenseerimine. Kondensaatorit jahutatakse kas õhu või veega. Et külmagensi aur kondenseeruks, peab tema kondenseerumistemperatuur olema jahutatava keskkonnatemperatuurist (õhu, vee) nii palju kõrgem, nn. aurustumissoojust saaks üle kanda väliskeskkonda. See tingimus määrabki ära kondenseerumisrõhu p 2, mis näiteks ammoniaagiaurudele kondenseerumiseks on ca 10...15 bar. Kondenseerumisprotsess on isotermne-isobaarne. Drosseli ülesandeks on drosseldada kondensaatorist tuleva vedelat külmaagensi kondenseerumisrõhult p 2 aurustusrõhuni p 1, millel töötab aurusti (ca 0,5...1 bar). Drossel tagab aurustis aurustuva külmaagensi aurustustemperatuuri püsimise, mis saavutatakse drosseldamisintensiivsuse muutmisega. 9
1-2 isoentroopne komprimeerimine kompressoris (compressor) 2-3 konstantsel rõhul soojuse eemaldumine (kondensaator_condenser) 3-4 paisumine (drosseldamine), isoentalpne protsess (throttling in an expansion valve) 4-1 külmutuskamber (aurusti), kus töötav keha saab soojust (aurustumiselfaasimuundussoojus) (evaporator) COP R = ql w in h1 h4 = h h 2 1 COP HP q = w H in h2 h3 = h h 2 1 10
11
Aurukompressor külmseadme reaalne ringprotsess Reaalsed protsessid termodünaamiliselt tagastamatud. Põhjustatud peamiselt sellest, et külmagens on reaalne eh viskoosne vedelik ja tema voolamisel esineb nn. hõõrdumine, mille tulemusel esineb rõhulang-rõhukadu. Aurustis väljuva auru parameetrid vastavad ideaalses protsessis ülemisele piirkõverale. Reaalsel protsessil on aurustis väljuv aur kergelt ülekuumendatud. Samuti on aurusti ja kompressori vaheline ühendus piisavalt pikk ja esineb hõõrdumisest rõhukadu ja soojusvahetus väliskeskkonnalt, mille tõttu suureneb ideaalsega võrreldes agensi erimaht. Sellest tulenevalt suureneb kompressori poolt tarbitav töö. Komprimeerimine on ideaalsel juhul isoentroopne. Reaalne protsess hõõrdekadude poolt põhjustatuna entroopiat suurendav. Soojusvahetusest põhjustatuna aga entroopiat vähendav. Kondensaator pool analoogne, aurustiga. Kondensaatorist väljub juba agens vedelikuna, esineb voolamisest tekitatud rõhukadu 12
Kaskaad aurukompressor-külmutusseade Madalamate külmutustemperatuuride saamiseks kasutatakse kaskaad aurukompressor-külmutusseadet Sellises külmutusseadmes on järjestikku lülitatud mitu külmutusseadet selliselt, et esimese seadme jahutuskamber on teise kondensaatoriks. QL mb ( h1 h4 ) COPR = = Wnet, in ma ( h6 h5 ) + mb ( h2 h1 ) 13
Kombineeritud mitmeastmelised külmutusseadmed Juhul, kui mitmeastmelises külmutusseadme kasutatakse üht ja sama külmaagensi, on astmetevaheline soojusvaheti asendatav segunemiskambriga. Skeemilt on näha, et külmaagens paisub eesimes drosselis kuni vahekambri rõhuni. Osa agensist aurustub. Küllastunud aur (punkt 3) seguneb ülekuumendatud agensiga, mis on väljunud madalrõhukompressorist (punkt 2). Segu saavutab oleku 9. Küllastunud vedelik (olek 7) paisub teises drosselis olekuni 8. 14
Kombineeritud otstarbega külmutusseade Vajatakse ja sageli erinevaid külmatemperatuure. Lahendus on esitatud alljärgneval joonisel: 15
Praktiline näide sügavkülmatootmisest Q s1 s2 -- külmutustsüklisse sisestatavad energiavood Q v1 v4 -- külmutustsüklist väljastatavad energiavood Q v2 Q v4 13 Qv 3 14 Soe tarbevesi Glükool 12 Vesi 11 15 10 Vesi Q v1 Õli M Q s1 1 2 NH 3 NH 3 NH 3 3 4 Lisavesi Q s2 NH 3 NH 3 5 9 9 7 NH 3 6 NH 3 NH 3 8 16 Nr Nimetus Joonis 46435-01 Nr Nimetus Joonis 46435-01 1 Kompressor 601, 611, 621 9 Külmatarbijad 6191, 6192; 6231, 6232; 6150, 6155, 6160; 6171, 6176 2 Õli separaator 6003, 6013, 6023 10 Õlijahutid 6004, 6014, 6024 3 Eelkondensaator 6107 11 Veemahuti, 50 m 3 6102 4 Kondensaator 6040 12 Soojusvaheti 6277 5 NH 3 -mahuti -1,6 m³ 6060 13 Glükooli kaloriifer 6090 6 NH 3 -mahuti -1,0 m³ 6080 14 Uus gradiir 7 NH 3 -mahuti -11 m³ 6120 15 Soojusvaheti 8 Pumbad 6131, 6132, 6135, 6136, 6141 16 NH 3 -mahuti - 6 m³ 6070 16
Kalatööstuse külmatootmise (suur külmhoone) skeemi lihtsustatud kirjeldus Sügavkülma toodetakse kalatööstus aurkompressor-külmutusseadmes, mille termodünaamiliseks töökehaks on ammoniaak. Külmkambrites on vastavalt tehnoloogilistele tingimustele vajalik hoida temperatuuri 23 C. Külmutusseade on varustatud kolme üheastmelise aurukompressoriga (tüüp VMY 347 M, skeemil positsioonid 6001,6011,6021) mille igaühe tööparameetrid nimikoormusel on alljärgnevad: summaarne külmatootlikkus 290,6 kw summaarne soojusvõimsus 501,0 kw summaarne elektriline võimsustarve 210 kw Toodud suuruste selgituseks vaatame aurukompressorkülmutusseadme elementaarskeemi: q 2 K- tähistab kompressorit, mille elektriline vajaminev võimsus (q 2 ) on 210 kw (tegelikult installeeritud elektrimootorite võimsus kompressoritel on 3x315 kw), kus komprimeeritakse ammoniaagi aurud rõhult 0,78 bar kuni rõhuni 13,5 bar (tegelikult hoitakse ammoniaagi kondensaatoris rõhku 10 bar). Ammoniaagi 17
aurud saavutavad temperatuuri 93,4 kraadi. (Arvestades, et tegelik rõhk kondensaatoris on madalam, on ka jahutavate aurude temperatuur 90 kraadi). q 1 väljendab skeemil summaarset soojusvõimsust 3x501 kw, mis kulub ammoniaagi aurude kondenseerimiseks kondensaatoris (6040), ammoniaagi eelkondensaatoris (soojusvaheti 6107), ammoniaak-kompressorõli soojusvahetites (6003, 6015,6025). q 0 väljendab soojushulka, mis võetakse keskkonnalt külmakambrites ammoniaagi aurustite poolt valmistoodangu ladu installeeritud nn. külmavõimsus 2x 29 kw (6171,6176), tooraine ladu 3x 25 kw (6150,6155,6160), kiir-spiraalkülmuti 2x240 kw (6231,6232), jäätmete hoidla (6191,6192), mille installeeritud võimsuse andmed esialgu puuduvad. (Kui edaspidises töös tekib nende järgi vajadus, ei näe me probleemi nende saamisel). Sügavkülmseadme reaalset töö iseloomustavad parameetrid Summaarne sügavkülma elektritarve Kalatööstuses iga päev. Oleme oma analüüsiks valinud aasta 1998. Kasutades mõõtmistulemusi, saame külmhoone aastase elektritarve 2525,5 MWh. Arvestades, et külmhoone töötab aastaringselt, tuleb aastaseks keskmiseks arvutuslikuks tarbitud võimsuseks 288 kw. Samas rõhutame veelkord, et meil on kasutada praktilised mõõtmised, mis on tehtud iga päev, seega saame arvutuslikult leida arvutusliku tarbitud keskmise võimsuse päevade kaupa. 18
Kompressorite õlijahutussüsteemiga seotud soojusvahetusseadmed, nende soojuslikud parameetrid Kompressori õlitussüsteemis nimiparameetritel ringleb õli 7,0 m 3 /h, õli tihedus 878,1 kg/m 3, erisoojus 1,96 kj/kgk. Nimiparameetritel töötamisel on vajaminev õlijahutusvõimsus 147,5 kw. Õli jahutakse veega ja auditeerimise käigus selgus, et õli-vesi jahutussüsteemis olid temperatuurid järgmised, õli 85 0 C/45 0 C ja vesi 25 0 C/40 0 C. Õlijahutussüsteemist väljunud vesi suunatakse 50 m 3 suurusse mahutisse (6102). Auditeerimise käigus selgus, et kunagised mõõtmised näitasid, et jahutusvee kiirus on ligilähedane 9,9 l/s. (tsirkulatsioonipumba tootlikus on 35 m 3 /h). Mahutisse kogutud vee jahutamine toimub gradiiri abil (skeemil puudub kuna gradiir on juurde ehitatud projektiväliselt), mille installeeritud parameetrid on järgmised: võimsus 559 kw, siseneva vee temperatuur 33 0 C, jahutatud vee temperatuur 28 0 C, ringleva vee hulk 96 m 3 /h, vee kulu 0,5-0,8%. Toodud parameetrid vastavad välisõhu temperatuurile +30 0 C õhuniiskusel 56%. Paralleelselt gradiiriga on kasutusel soojusvaheti, mille abil soojendatakse nn. linnast tulevat vett soojavee tarbeks. Kuna soojavee tarve on tsükliline, on raske hinnata tema soojusvõimsust. Auditeerimise käigus selgus, et tarbevee temperatuur 16 0 C -lt 23 0 C -ni. Esialgses projektses lahendis oli mahutisse kogutud vee jahutamiseks ette nähtud glükool-vesi soojusvahti (6090)., mis tänaseks soojusbilansiliselt tööst on välja viidud. Mahutiga (6102) on soojusvahetuslikult seotud kompressorist väljuvate ammoniaagi aurude eelkondensaator (6107), kus jahutatakse ammoniaagi aurud, 19
kuid kondenseeruda nad seal ei tohi. Arvestades, et ammoniaagi entalpia 10 bar ja 90 0 C juures on 1865 kj/kg, isobaarilisel kondenseerumisel ülemise piirkõverani on entalpia lang 195 kj/kg ja ammoniaagi massikulu nimivõimsusel (kolmel kompressoril kokku) on 0,807 kg/s, saame eelkondensaatori maksimaalseks soojusvõimsuseks 157 kw. (Siinjuures rõhutame, et eelkondensaator soojendab õlijahutussüsteemi vett). Õlijahutussüsteemis on lisaks eelpooltoodud ammoniaagi eelkondensaatoriga (6107) töös ammoniaak-õli soojusvahetid (6003,6015,6025). Nende efektiivsus ja parameetrid täpsustame vajaduse korral. Ammoniaagi kondensaator Ammoniaagi kondensaatori passijärgne soojusvõimsus on 1200 kw. Arvestades ammoniaagi parameetreid (rõhk kondensaatoris 10 bar, kondenseerumistemperatuur, 35 0 C juures, kondeseerumisentalpia 1090 kj/kg, aurude maksimaalne võimalik entalpia kondensaatorisse sisenemisel 1865 kj/kg, kondensaadi entalpia 586 kj/kg, summaarne ammoniaagi massikulu 0,807 kg/s) saame maksimaalseks teoreetiliseks kondensaatori majaminevaks võimsuseks 1032 kw. 20
Absorbtsioon-jahutusseade. Absorbtsioon-jahutusseadmes kasutatakse termodünaamilise keha rõhu tõstmiseks termokeemilist komprimeerimist. Selleks tarbitakse väliskeskkonna temperatuurist kõrgema temperatuuriga soojusallikat. Termodünaamiliseks kehaks on binaarne lahus, näiteks ammoniaagi vesilahus. (Auru)Generaatoris binaarsest lahusest moodustav kõrgekontsentratsiooniline aur kondenseeritakse kondensaatoris väliskeskkonna temperatuuril. Kondensaatorist väljuv vedelik drosseltakse drosselventiilis. Drosseldusprotsessis langeb vedeliku temperatuur jahutuskambri temperatuurini. Jahutuskambrist väljuv aur suundub absorberisse, kus ta annab üle väliskeskkonna temperatuuril olevale vedelikule kondenseerumissoojuse. Binaarse vedeliku kontsentratsioon keemisel generaatoris langeb, aga absorberis vastupidi suureneb. Selleks, et vedeliku kontsentratsioonid oleksid generaatoris ja absorberis püsivad,on nad omavahel ühendatud tsirkulatsioonipumbaga 21
22
23
24
25