2009:140 CIV
E X A M E N S A R B E T E
Fjärrvärmedriven kyla i Luleå
Fredrik Gjersvold Björn Lindberg
Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet
Maskinteknik
Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Energiteknik
Innehållsförteckning
Förord ...3
Sammanfattning ...4
Bakgrund ...5
Syfte ...5
Mål ...6
Nomenklatur...7
Fjärrkyla ...9
Kylproduktionen ...9
Värmepumpen ...9
Kompressorkylmaskinen ... 11
Köldmedier ... 12
Frikyla ... 14
Evaporativ kyla ... 14
Sorptiv kyla ... 15
Snökyla... 16
Absorptionskylmaskinen ... 17
Absorptionskylmaskinen i praktiken ... 19
Tillverkare av absorptionskylmaskiner ... 19
Inkopplingsprincip på fjärrvärmenät ... 20
Ettnoll ... 22
Fjärrvärme i Luleå ... 23
Kyltorn ... 25
Värmeöverföringsteori i kyltorn ... 25
Dimensionering av kyltorn... 29
BAC ... 30
Legionellarening ... 32
Ackumulator... 33
Fjärrkyla i Umeå ... 36
Kylbehov i Luleå ... 36
Befintlig fjärrkyla i Luleå ... 37
Exempelfall ... 37
Exempelfall Ferruform ... 38
Exempelfall Gestamp Hardtech... 39
Exempelfall LTU ... 39
Kylmaskin med ackumulatortank ... 42
Kylnät... 43
Ekonomi ... 43
Diskussion/slutsats ... 44
Litteraturförteckning ... 45
Bilaga A ... 47
Bilaga B ... 49
Anläggningskostnad utan ackumulatortank ... 49
Anläggningskostnad med ackumulatortank ... 52
Förord
Detta examensarbete är utfört på MECAD (numera Norconsult) i Piteå i samarbete med Luleå energi. Vi skulle vilja rikta ett stort tack till våra handledare på Mecad, Berndt Hortlund och Sören Grönlund all hjälp under arbetets gång. Vi skulle också vilja tacka Daniel Lundström som har varit vår programvarusupport.
Vi skulle även vilja tacka våra kontaktpersoner på Luleå energi, Magnus Johansson, Thomas Öhlund och Andreas Andersson som tillhandahållit information om Luleås fjärrvärmenät och besvarat våra frågor.
Tack till vår examinator Lars Westerlund som sitter på institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik (TFM), under avdelningen Energiteknik vid Luleå tekniska universitet.
Tack till, Hans Eriksson på Lulekraft AB, Kjell Skogsberg på Snowpower, Leif Säfsten på Umeå energi, Anders Bjarneklint på IKP vattenvård, Robert Lindberg på Lindberg Solutions och Tomas Lundgren på Carrier.
Björn Lindberg och Fredrik Gjersvold Piteå september 2009
Sammanfattning
Sedan Västerås byggde Sveriges första fjärrkylnät 1992 har fler och fler städer följt med. I Stockholm finns nu världens största fjärrkylnät som fortfarande byggs ut. Fjärrkylan sprider sig norrut och Umeå byggde fjärrkyla år 2000. I Luleå centrum började fjärrkyla levereras 2006, baserat på frikyla.
I Luleå finns det potentiella kylkunder som ligger utanför centrum där kylnätet inte kommer att nå inom en överskådlig framtid. Denna rapport belyser vilka möjligheter som finns i Luleå att producera värmedriven kyla hos dessa kunder. En strategi är att knyta ihop ett antal kunder med ett kylnät och ha en central kylaproduktion. En annan är att placera ut en
produktionsanläggning för kyla vid en stor kylförbrukare (>700kW). Denna rapport behandlar primärt det senare alternativet.
Tekniken som utreds är värmedriven kyla där en absorptionskylmaskin kopplas in och drivs med hjälp av fjärrvärmenätet till skillnad från den konventionella, eldrivna
kompressorkylmaskinen.
Gynnsamma faktorer för värmedriven kyla är billig drivvärme, hög drivtemperatur (95°C) och lång nyttjandetid. I Luleå finns Sveriges billigaste fjärrvärme som på sommaren håller en temperatur på 72-75°C.
Tre potentiella kunder undersöktes närmare och ett exempelfall togs fram för en potentiell kund med effekten 1100kW och energimängden 1120MWh per år. Den bästa lösningen skulle vara en absorptionskylmaskin på 760kW med en ackumulatortank för att kunna ta hand om dygnets variation i kyleffektbehov.
Det är tekniskt men inte ekonomiskt möjligt med en sådan lösning i Luleå i nuläget. För ovanstående kylbehov skulle självkostnadspriset bli 726 000kr/år.
Bakgrund
I Luleå råder det ganska unika förhållanden. Här säljs Sveriges billigaste fjärrvärme. Grunden till detta är den utpräglade stålindustri som återfinns här uppe. Stålverket producerar stora mängder stål och vid tillverkningen bildas det en energirik blandgas som initialt facklades bort. I början på 70-talet beslutade SSAB och Luleå kommun att man skulle ta vara på den energirika gasen, detta ledde till byggandet av kraftvärmeverket och bildandet av LUKAB (Lulekraft AB). I kraftvärmeverket används blandgasen primärt för att driva en ångturbin som producerar elström, sekundärt produceras fjärrvärme som värmer upp Luleå på vintrarna. På somrarna, när värmebehovet bara är en tiondel av värmebehovet under vintern, skickar man ut varmvattnet i stadsviken. I takt med att vi människor blir allt bekvämare och omger oss själva med värmealstrande maskiner som datorer och bildskärmar i hemmet och på kontoret, ökar behovet av ett komfortabelt inomhusklimat.
I Luleå är situationen denna, i de centrala delarna finns det ett utbyggt kylnät som förser kunder med komfortkyla inom ett begränsat område. Metoden som används i centrum kallas för frikyla och går ut på att ta kallvatten från älven och värmeväxla det mot kunderna. När vattnet blir för varmt i älven så spetsar man älvkylan med en kompressorkylmaskin och kan på så sätt förse kunderna med kyla även under de varmaste dagarna då kylbehovet är som störst.
Problemet med ett kylnät är att det är väldigt centraliserat och når enbart ut till ett fåtal kunder i stadskärnan och det är förknippat med stora kostnader att bygga det. Varför inte då använda sig av ett redan utbyggt nät som fjärrvärmenätet för att producera kyla och på så sätt nå ut till kunder i periferin? Det ter sig extra bra i Luleå eftersom det är en stad som är utspridd över en större yta med en potential för kylöar vid stadens utkanter dit det skulle bli för dyrt att dra ett kylnät. På dessa platser skulle det lämpa sig bra med absorptionskyltekniken som bygger på att man använder sig av fjärrvärme för att driva en kylmaskin. Tekniken kan appliceras på två sätt, antingen kan man placera ut en stor maskin där det finns flertal mindre kylförbrukare och utifrån denna bygga ett lokalt kylnät eller så placerar man helt enkelt ut en maskin direkt hos kunder som har ett större kylbehov. Absorptionskylmaskinen är dock i behov av en extern kylning som kan tillgodoses antingen genom en naturlig värmesänka eller via ett kyltorn. I den här rapporten undersöks det senare fallet när en kylmaskin placeras ut hos en större kylförbrukare.
Syfte
Syftet med detta examensarbete är att undersöka vilket behov det finns i Luleå av kyla. Med kyla avses hädanefter ett vätskeburet köldbärarsystem där utgående köldbärare håller en temperatur på cirka 6°C. En orienterande studie av olika sätt att producera kyla ska ingå där den värmedrivna kyltekniken beskrivs mer utförligt tillsammans med de förutsättningar som krävs. Dessutom ska rådande förutsättningar för värmedriven kyla i Luleå redogöras för.
Mål
Det övergripande målet är att ge en bild av vilka förutsättningar, tekniska och ekonomiska, som finns för värmedriven kyla i Luleå med dagens absorptionskylmaskiner. Detta
tillsammans med de investerings- och driftskostnader som uppkommer vid en eventuell investering. Tre potentiella kunder i Luleå ska undersökas närmare där de tidigare nämnda kostnaderna för varje fall ska ingå.
Nomenklatur
Förkortningar Förklaring
AKM Absorptionskylmaskin.
KKM Kompressorkylmaskin.
COP Coefficient of performance eller köldfaktor är en dimensionslös kvot där den energin som tas upp i förångaren divideras med den investerade energin t.ex. strömmen som krävs för att driva kompressorn (COPel). För en AKM som drar lite ström och drivs med hetvatten avses COPheat.
ACK Ackumulatortank.
Absorption Ett ämne blandas eller binds kemiskt av ett annat i vätskefas.
Adsorption Ett ämne binds vid ett annat ämnes yta i fast fas.
Kylmedium Det medium som används för att transportera värme/kyla.
Köldmedium Det medium som används i en värmepump.
Isobar En termodynamisk process som sker med ett konstant tryck.
Isoterm En termodynamisk process som sker med en konstant temperatur.
Isokor En termodynamisk process som sker med en konstant volym.
Adiabatisk En termodynamisk process som sker utan värmeutbyte med omgivningen.
Isentropisk En termodynamisk process som är adiabatisk och reversibel.
CFC Chloro-fluoro-carbon compounds eller klor-fluor-kol-föreningar.
HCFC Hydro-chloro-fluoro-carbon compounds eller väte-klor-fluor-kol- föreningar.
HFC Hydro-fluoro-carbon compounds eller väte-fluor-kol-föreningar ODP Ozone depletion potential eller ozonutunnande potential.
GWP Global warming potential eller växthusgaspotential.
TEWI Total environmental warming impact.
Kylgräns Lägsta temperatur som kan uppnås genom evaporativ kyla.
LiBr Litiumbromid.
GIS Står för geografiskt informationssystem som är ett datorbaserat system för att samla in, lagra, analysera och presentera
lägesbunden information.
Ettnoll En GIS-programvara.
VA Vatten och avlopp.
MECAD Ett ingenjörs- och arkitektföretag som erbjuder rådgivning, projektering och projektledning inom områdena mark-, VVS-, energi, industri och datateknik som nyligen har förvärvats av norska Norconsult.
SSAB Svenskt stål AB.
SMHI Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut.
Konvektion Process som innebär att värme transporteras inom en fluid genom rörelser i fluiden.
LTU Luleå tekniska universitet.
BAC Baltimore aircoil är i grunden en amerikansk kyltornstillverkare som numera är etablerad över hela världen.
Biocider Biocider är kemiska eller biologiska preparat eller verksamma ämnen som är avsedda att förstöra eller hindra skadliga organismer.
PCM Phase change material eller fasändringmaterial.
Norconsult Norges största ingenjörsorienterade konsultfirma som i februari 2009 förvärvade piteåföretaget MECAD.
WSP Ett globalt företag som erbjuder konsulttjänster inom hus och industri, transport och infrastruktur samt miljö.
Fjärrkyla
Fjärrkyla bygger på samma princip som fjärrvärme. Man har en central kylproduktion som genom en köldbärare transporteras i ledningar till förbrukarna. Det ger en enkelhet för kunden som slipper en utrymmeskrävande och bullrande maskin. Det kan också vara miljövänligare då kylan ofta kan produceras ifrån spillvärme eller genom frikyla. Nackdelen är att
investeringskostnaden för ett fjärrkylnät är högt. Rördimensionerna måste vara större än för ett fjärrvärmenät då temperaturskillnaden mellan framledning och returledning är små. Detta ger förstås en högre materialkostnad för anläggningen av nätet.
Nyttjandetiden för fjärrkyla är låg i jämförelse med fjärrvärme och beror också på var i landet man befinner sig. Nyttjandetiden för komfortkyla hänger ihop med utetemperaturen men det finns också andra aspekter såsom hur väl en byggnad är isolerad, solinstrålning och den interna värmealstringen från t.ex. belysning och kontorsmaskiner. Fjärrkyla används bl.a. i kylrum och på industrier men den är vanligast i affärs- och kontorslokaler. Det finns även bostäder som är inkopplade mot fjärrkyla men det är ovanligt.
Idag finns omkring 40 fjärrkylnät i Sverige som tillsammans levererar drygt 700GWh kyla årligen. I Stockholm finns världens största system för fjärrkyla som täcker in den större delen av centrala staden.
Priset på fjärrkyla varierar kraftigt i landet och sätts ofta individuellt. Få har en prislista och hos dessa varierar priset. Det brukar oftast, liksom på fjärrvärme, vara en inkopplingsavgift, en fast kostnad beroende på effektbehov och en rörlig energikostnad. Av de som hade prislistor så låg den fasta kostnaden på 70-260kr/kW och energikostnaden på 125- 690kr/MWh.
Kylproduktionen
Kylproduktioner i fjärrkylnät beror på vilka speciella förhållanden som råder på platsen ifråga. Frikyla är det man helst vill använda sig av då investeringskostnaden är låg och driftskostnaden är väldigt låg. Snökyla är en intressant teknik som, i Sverige, ännu bara finns på Sundsvalls sjukhus. Den konventionella metoden är att använda kompressorkylmaskiner. I takt med att elpriset ökar så blir absorptionskylmaskiner vanligare då de drivs av hetvatten eller ånga. Nedan följer en kort beskrivning av de förekommande sätten att producera kyla där tyngdpunkten ligger på absorptionskyla.
Värmepumpen
Termodynamiken säger att om två system förs i kontakt med varandra kommer de att utbyta energi eller materia tills de är i jämviktsläge. Den andra huvudsatsen säger att värme endast kan transporteras från en varm till en kallare kropp.
Vid atmosfärstryck övergår vatten från flytande till gasfas vid ungefär 100°C. För att fasövergången ska ske krävs en energimängd av storleken 2260kJ/kg. Det är en stor
energimängd som är ungefär samma som krävs för att värma 5kg vatten från 0°C till 100°C.
Principen i en kylmaskin är att sänka trycket så att förångning av vattnet kan ske vid en
väsentligt lägre temperatur, t.ex. 5°C. Förångningen kräver energi som tas ifrån omgivningen.
I enlighet med termodynamikens lagar så kommer omgivningen att avge värme till
förångningsprocessen då omgivningens temperatur är högre än vattnets kokpunkt, som i detta exempel är 5°C.
Figur 1: Fasdiagram för vatten där kurvan mellan TP och KP visar kokpunkten för vatten vid ett specifikt tryck.
Energi kan inte skapas eller förstöras så att den energin som togs upp under förångningen måste frigöras. Om ångan får återgå till atmosfärstryck så kommer den att kondensera och återgå till vätskefas samtidigt som den avger energin som gick åt när den förångades. Denna process avger värme till omgivningen, förutsatt att omgivningstemperaturen är lägre än vattnets kokpunkt som i det här fallet är 100°C i och med att det nu råder atmosfärstryck.
Genom att låta den värmeupptagande förångningen och den värmeavgivande kondenseringen ske på olika ställen så blir det givetvis kallare på ett ställe och varmare på det andra. I en kyl/frys är förångaren på insidan och kondensorn på baksidan. I en bergvärmepump för uppvärmning av bostaden är kondensorn inomhus och förångaren i berget.
I exemplet har vatten används som köldmedie. Beroende på temperaturer så finns det olika köldmedier som lämpar sig bättre. Principen med att utnyttja fasövergången mellan vätska och gas är dock densamma.
Carnot-processen
En Carnot-process är en teoretisk, ideal kretsprocess utan förluster. Det är denna process som man försöker efterlikna i en kylmaskin. Processen består av fyra steg och kan beskrivas med hjälp av en värmeisolerad cylinder fylld med en ideal gas. Cylinderns botten är fast men där kan värmeutbyte ske mot en given temperatur. I cylindern finns även en rörlig kolv som kan komprimera gasen.
I första steget, 1 till 2, expanderar köldmediet isentropiskt. Därefter, 2 till 3, tillförs värmemängden Q2 till köldmediet så att en isoterm expansion äger rum.
Från 3 till 4 sker en isentropisk kompression för att i steget mellan 4 och 1 komprimeras isotermiskt då värmemängden Q1 bortförs enligt Figur 2 och Figur 3
Figur 2: Tryck-volymdiagram för Carnotcykeln
Figur 3: Temperatur-entropidiagram för Carnotcykeln
Kompressorkylmaskinen
Kompressorkylmaskinen är den vanligaste kylmaskinen världen över då den återfinns i de allra flesta kylar och frysar samt personbilar och bostäder med kyla. Den är väl beprövad och har många tillämpningsområden. Att den är eldriven gör det enklare att koppla in den oavsett läge.
En kompressorkylmaskin använder en kompressor för att skapa tryckskillnad i kretsen enligt Figur 4.
Figur 4: Principskiss av en kompressokylmaskin.
Kompressorn (1) pumpar köldmediet i gasform till kondensorn (2) där värme avges till omgivningen då köldmediet kondenserar på högtryckssidan.
En ventil eller strypning (3) skapar tryckskillnaden mellan hög- och lågtryckssidan.
Köldmediet förångas under lågt tryck i förångaren (4) då värme upptas från omgivningen till förångaren.
COP för en kompressorkylare beror på bland annat temperaturskillnad mellan kondensorn och förångaren och storleken på maskinen. För en modern kompressorkylmaskin för komfortkyla kan COP vara omkring 3.
Köldmedier
När värme eller kyla skall produceras i en sluten kretsprocess krävs det ett medium som kan förångas och kondenseras vid lämpliga tryck och temperaturer. Det finns en stor mängd olika köldmedier som verkar inom olika temperaturintervall. För att hålla ordning på dessa är de systematiskt indelade. Köldmediet betecknas med bokstaven R följt av en sifferkombination t.ex. ”R11”. R står för ”refrigerant” och sifferkombinationen talar om vilken kemisk
sammansättning köldmediet har. Siffrorna talar sedan om hur många fluor-, väte-, kol- och kloratomer molekylen har. Sifferkombinationen kan kompletteras med ytterligare en bokstav t.ex. ”R134a” för att precisera molekylstrukturen. Detta gäller ej för R400 och uppåt.
Köldmedierna grupperas efter vilka ämnen det innehåller HCFC, CFC, HFC och haloner.
HCFC (Hydro-Chloro-Fluoro-Carbon) består av grundämnena väte, klor, fluor och kol.
Halonerna innehåller förutom dessa även brom. Figur 5 visar hur metanmolekylen får sina väten utbytta mot klor och fluor för att bilda köldmediet R12.
Figur 5: Hur köldmediet R12 bildas från metan.(1)
HCFC, CFC och haloner innehåller klor och brom vilket medför att de har en väldig ozonnedbrytande effekt vid utsläpp eller läckage. Från och med 1998 är det förbjudet med nyinstallation av köldmedier som är ozonnedbrytande. Yrkesmässig användning av
anläggningar med halon förbjuds 1998, år 2000 infördes ett användningsstopp för CFC och 2002 ett påfyllnadsstopp för HCFC(2). Många av dessa konverterades istället till HFC som inte bryter ner ozonskiktet men är en kraftig växthusgas. Figur 6 visas hur användningen av HCFC och CFC har minskat till fördel för HFC allteftersom påfyllnadsstopp och förbud har trätt ikraft i Sverige.
. Figur 6: Totalomsättning av CFC, HCFC, HFC i Sverige.(3)
För att klassificera vilken negativ effekt köldmedierna har på ozonskiktet och växthuseffekten infördes begreppen ODP och GWP. ODP står för Ozone Depletion Potential, detta värderar hur ozonnedbrytande köldmediet är i förhållande till referensmediet R11 (Triklorfluormetan) som har ODP-värde 1(4). GWP står för Global Warming Potential och är en
koldioxidekvivalent, den talar om hur mycket koldioxid som skulle skapa samma växthuseffekt som 1 kg köldmedium(4).
För att komplettera GWP har man infört begreppet TEWI som står för Total Environmental Warming Impact. Här tar man hänsyn till de direkta (kemikalien) såväl som de indirekta utsläppen (produktionen av drivel) orsakade av köldmediet(4). Dock är varken GWP eller TEWI heltäckande.
I absorptionskylmaskinen används LiBr-vatten eller Ammoniak-vatten, dessa är naturliga köldmedier. Genom att använda naturliga köldmedier kan man minimera bidraget till växthus- och ozonnedbrytningseffekten. Karakteristiskt för de naturliga köldmedierna är att de utvinnas från naturen och behöver inte framställas på kemisk eller syntetisk väg. Exempel på naturliga köldmedier är vatten, ammoniak, koldioxid samt andra kolväten. Nackdelen med dessa är att de ofta är giftiga eller brandfarliga.
Frikyla
Det finns ingen exakt definition av vad frikyla är men med frikyla menas hädanefter principen där man nyttjar en naturlig värmesänka för att växla värme med som i Figur 7. Detta utan att tillföra något arbete för att åstadkomma själva temperatursänkningen. De vanligaste
värmesänkorna under sommaren är borrhål eller i djupt vatten. Under vintern kan förstås uteluften nyttjas som värmesänka. Under vintern kan kylan användas för att kyla processer, servrar eller annat.
Figur 7: Principskiss för fjärrkyla.
Pumpen (1) cirkulerar vatten. Värme upptas i en värmeväxlare eller konvektor (2) för att sedan transporteras till värmeväxlaren (3) där värmen avges till värmesänkan.
Eftersom att inget arbete går åt för att skapa temperatursänkningen så blir ”verkningsgraden”
mycket hög. Beroende på vilken värmesänka man har så kan verkningsgraden komma upp mot 50. I vilket fall så är frikyla det resurssnålaste alternativet att producera kyla om möjligheten finns. Idag nyttjas frikyla från älvar och vattensamlingar i flera fjärrkylnät i Sverige, bl.a. Örebro, Stockholm, Norrköping och Malmö. Ungefär en tredjedel av fjärrkylan i Sverige kommer ifrån frikyla(5).
Evaporativ kyla
Den evaporativa kylprocessen går ut på att åstadkomma en temperatursänkning hos luften genom att fukta den(1). Fuktningen sker genom att man låter luften passera en våt yta varifrån vatten avdunstar. Avdunstningen sker genom att det s.k. ångbildningsvärmet som tas från luften och på så sätt kyler den. Luften kan ta upp fukt så länge den inte är mättad. Den lägsta temperaturen som kan uppnås genom den här typen av kyla kallas för kylgräns och den beror på den våta termometerns temperatur vid luftens mättnadstillstånd(1).
Det finns direkt och indirekt evaporativ kyla. Med direkt evaporativ kyla menas att man tar tilluften i ventilationssystemet och fuktar den, en temperatursänkning erhålls och den kylda luften leds in medan den varma luften leds ut, se Figur 8.
Figur 8: Direkt evaporativ kylning.(1)
Den indirekta evaporativa kylan fungerar på så sätt att man tar den varma frånluften och fuktar den så att en kylning åstadkommes sedan värmeväxlar man den kylda frånluften med tilluften, se Figur 9.
Figur 9: Indirekt evaporativ kylning.(1)
Sorptiv kyla
Den sorptiva kyltekniken bygger på samma princip som evaporativ kyla. Men istället för att använda sig direkt av uteluften torkar man den innan den fuktas. Ju torrare luft desto lägre temperatur erhålls. Begränsningen är förstås kylgränstemperaturen som är den teoretiskt lägsta temperaturen som kan uppnås genom evaporativ kyla(1).
Processen kan beskrivas enligt följande. Fuktig och varm uteluft passerar filtret för att sedan torkas av torkrotorn. Luften blir torr och varm, men kyls därefter först av den roterande värmeväxlaren och sedan till önskad temperatur av den evaporativa kylaren för att slutligen blåsas in i lokalen.
Den rumstempererade luften passerar genom frånluftsfiltret och fuktas i den evaporativa kylaren. I den roterande värmeväxlaren höjs temperaturen på frånluften genom att värme upptas från tilluften. Frånluften värms ytterligare av regenereringsbatteriet för att slutligen ta med sig fukt från torkrotorn och blåses ut från byggnaden. Regenereringsbatteriet kan drivas med lågvärdig energi från t.ex. fjärrvärmereturen(6). Figur 10 visar en schematisk bild på en sorptiv kylanläggning.
Figur 10: Sorptiv kyla tilluft, 1. Filter, 2. Torkrotor, 3.Roterande värmeväxlare, 4. Evaporativ kylare, 5. Eftervärmningsbatteri, 6. Tilluftsfläkt. Frånluft, a. Filter, b. Evaporativ kylare,
c. Regenereringsbatteri, d. Frånluftsfläkt.(7)
Snökyla
Snökyla går ut på att lagra snö och is under vintern för att sedan använda lagret till olika kyländamål under de varmare delarna av året. Lagringen kan ske på olika sätt men den
vanligaste metoden är att man dumpar snön i en grop som sedan täcks över med ett isolerande skikt. Det som begränsar snökyla rent geografiskt är om det finns en tillräckligt stor
snömängd att tillgå eller om det är kallgrader under tillräckligt lång tid för att tillverka konstsnö. Snökyla kan användas till en rad olika applikationer som komfortkyla, processkyla och kyllagring. Snökyla kan användas för kylapplikationer över 0°C.
Processen på Sundsvalls snölager kan beskrivas enligt följande. Kallt smältvatten sugs från botten på snölagret via ett grovfilter och en olje- och grusavskiljare. Vidare pumpas vattnet genom ett självrensande filter till en värmeväxlare. Den 2 gradiga köldbäraren växlas till 5 grader och leds in i byggnaden. Ut från byggnaden kommer 10 gradigt vatten som
värmeväxlas ner till 8grader. Därefter leds vattnet via returledningar tillbaka till snölagret för att åter kylas. Om kallare vatten finns att tillgå kan returvattnet släppas ut och ersättas med t.ex. älvvatten. Figur 11 visar en schematisk bild över snökylaanläggningen i Sundsvall.
Figur 11: Principskiss över kyllagret i Sundsvall.(8)
Metoden att lagra kyla under vintern för att nyttja under sommaren uppmärksammades när Sundsvalls sjukhus installerade en pilotanläggning för snökyla. År 2000 invigdes
anläggningen som levererade 655MWh under första året(9). Under åren har anläggningen utvärderats och förbättrats. Nu kommer över 90% av kylan ifrån snölagret som rymmer 70000m3(10).
Snön tippas i lagret i samband med snöröjning. Under en snöfattig vinter kan tillverkning av snö ske med snökanoner.
Absorptionskylmaskinen
Absorptionskylmaskinen (AKM) uppfanns redan på 1850-talet av ingenjören och uppfinnaren Ferdinand Carré(11). Elnätet var då under uppbyggnad och många hade inte tillgång till elektricitet. Då var absorptionskyla ett bra alternativ eftersom den drivs av en värmekälla.
Men allt eftersom elnätet byggdes ut, och folk fick tillgång till ”framtidens billiga energi”, fick absorptionskylmaskinen ge plats åt kompressorkylmaskinen som drivs av elektricitet.
Absorptionskylmaskinen är på väg att återvända eftersom elpriserna ökar och den är lämplig att använda som kylalternativ där det finns billig fjärrvärme eller spillvärme att tillgå.
Idag finns det industrier och avfallshanteringsanläggningar som bara facklar bort brännbara gaser, istället för att ta vara på energin som skulle kunna användas för att driva t.ex.
absorptionskylmaskiner.
I absorptionskylmaskinen har man ersatt kompressorn med en absorbator, en värmeväxlare, en pump och en generator vilket kan ses i Figur 12. I den förstnämnda finns en absorbent som absorberar vattenångan och därmed bibehåller undertrycket. De första maskinerna hade ammoniak och vatten som arbetspar. Drivvärmen bör vara 100-200°C för detta arbetspar som kan leverera temperaturer på köldbäraren under 0°C(12). Litiumbromid och vatten är idag det vanligaste arbetsparet varför vi i fortsättningen endast behandlar denna typ.
Figur 12: Skillnad mellan kompressorkylmaskin och absorptionskylmaskin.
Köldmediet förångas under lågt tryck i förångaren och leds till absorbatorn (1). I absorbatorn kondenseras köldmediet (vatten) och binds upp av den koncentrerade absorbenten (LiBr- lösning). Genom uppbindandet av köldmediet bibehålls det essentiella låga trycket. Dessa förenas till en svag (utspädd) lösning. Under köldmedieabsorptionsprocessen måste
absorbatorn kylas för att föra bort det kondensationsvärmet som frigörs. Den svaga lösningen pumpas (2) till generatorn (4) via värmeväxlaren (3). I generatorn tillförs drivvärme som separerar köldmediet från absorbenten genom att köldmediet (vattnet) förångas. Det leds vidare till kondensorn, kvar i generatorn finns en stark (koncentrerad) lösning som förs tillbaka till absorbatorn via värmeväxlaren (3) och expansionsventilen (5). I värmeväxlaren avger den starka lösningen värme till den svaga lösningen och en trycksänkning uppnås när den passerar expansionsventilen(13).
Figur 13: Mollierdiagram för en lösning med LiBr och vatten.
I Figur 13 är processen utritad i ett Mollierdiagram. På linjen 7-1 absorberar LiBr vattenånga i absorbatorn och pumpas vidare genom värmeväxlaren 1-2 och vidare till generatorn 2-3.
Vatten värms bort mellan 3 och 4 för att sedan värmeväxlas i 4-5. I 5-6 tillsätts kall och utspädd lösning från absorbatorn för att inte komma för nära kristalliseringslinjen. Lösningen kyls ytterligare på vägen till absorbatorn i 6-7.
Vid en inbördes jämförelse mellan absorptions- och kompressorkylmaskinens effektivitet är det ofta köldfaktorn (COP) som anges för de två maskinerna. En medelstor
kompressorkylmaskinen har en COP på ca 3 medan en motsvarande absorptionskylmaskin har ett COP på ca 0.7. Ifall hänsyn tas endast till denna faktor så verkar kompressorkylmaskinen vara överlägset effektivare. COP för absorptionskylmaskinen baseras på den tillförda värmen
(COPheat) medan COP för kompressorkylmaskinen baseras på den drivande elen (COPel).
Verkningsgraden är förstås viktig i sig men kvaliteten på drivenergin och den totala
verkningsgraden i ett större perspektiv måste också tas hänsyn till, både ur en ekonomisk och miljömässig synpunkt.
Absorptionskylmaskinen i praktiken
Den hetvattendrivna absoptionskylmaskinen drivs oftast med en temperatur på omkring 95°C, men gärna högre. Den kyls ofta med kyltorn, varför de flesta maskinerna är dimensionerade efter detta driftsfall.
Om man kör maskinen med en lägre drivtemperatur så blir temperaturskillnaden mellan generator och kondensor mindre, vilket innebär att värmeöverföringen/effekten blir mindre.
För att delvis kompensera för detta kan man öka hetvattenflödet i generatorn på bekostnad av en högre utgående temperatur på hetvattnet från generatorn. Temperaturskillnaden mellan hetvattnets in- och utlopp i maskin blir alltså lägre.
Man kan också kompensera genom att sänka kylvattentemperaturen för att få en lägre temperatur i kondensorn. Då ökar temperaturskillnaden och effekten med den. Genom en sänkt kylvattentemperatur fås även lägre temperaturer i absorbatorn.
Lägre temperatur i absorbatorn ger ett lägre hygroskopiskt tryck, vilket innebär att
värmeöverföringen/effekten ökar i förångaren och absorbatorn. Som man kan se i Figur 13 så får temperaturen på lösningen inte bli för låg så att saltet kristalliseras och processen
avstannar. Detta hände vanligtvis i värmeväxlaren som växlar den koncentrerade, varma lösningen från generatorn med den kalla utspädda. Idag är maskinerna reglertekniskt bättre och kristallisering förekommer väldigt sällan. Funktioner finns även för automatisk
dekristallisering så att med dagens maskiner är det inte ett problem.
I våra fall fann vi att COP kunde vara omkring 0,7 men krävde nästan dubbla flödet på drivvärmen jämfört med det nominella fallet. Kyleffekten blev 65% av nominell effekt.
Två grundförutsättningar i en absorptionskylmaskin är att den är fri från luft och att det finns ett starkt understryck. Absorbatortanken och generatortanken är hermetiskt tillslutna och detta kontrolleras på fabrik. Skulle läckage uppkomma så att det läcker in luft i systemet ger det en minskad värmeöverföringshastighet och därmed minskad kapacitet.
LiBr har korrosiva egenskaper som ökar starkt i kontakt med luft.
Man tillsätter en korrosionsinhibitor i lösningen men korrosion kan inte helt undvikas. Vid korrosionen bildas vätgas som gör att gör att undertrycket minskar. Vätgasen som bildas måste med jämna mellanrum evakueras med en vakuumpump.
Vissa tillverkare har automatisk vakuumpumpning medan andra tillverkare låter operatören göra det på plats. Fjärrövervakning kan också finnas som tillval.
Tillverkare av absorptionskylmaskiner York (JCI)
York har en hetvattendriven modell, YIA, som finns i 21 storlekar med nominell effekt från 420kW till 4840kW. Den angivna drivtemperaturen är 80-128°C och nominell drivtemperatur är 115°. Att köra med 75°C drivtemperatur rekommenderades inte alls. Maskinen är inte dimensionerad för så låga drivtemperaturer och även om man skulle kunna driva en maskin med 75-gradigt vatten så skulle reglermöjligheterna vara väldigt begränsade. Maskinen skulle dessutom bara kunna leverera en bråkdel av märkeffekten.
Trane
Trane har några olika modeller med nominell effekt från 380kW till 4,8MW. Dessa maskiner kan drivas med ånga eller hetvatten. Hetvattentemperaturen anges till 132°C och vid kontakt med Trane så meddelades att de inte hade några passande maskiner för så låga
drivtemperaturer som 75°C.
Carrier
Carriers har 15 storlekar på sin hetvattendrivna modell 16LJ som finns med nominell effekt från 264 till 1846kW. Nominella data anges vid en drivtemperatur på 95°C och en
kylmedelstemperatur på 29,4°C. Den här maskinen är bättre lämpad för lägre temperaturer än de andra undersökta. Vid kontakt med Carrier uppgavs att maskinen kan kylas med kyltorn som ger kylvatten på 25°C och drivas med fjärrvärme med temperaturen 75°C. Säljaren på Carrier kunde bara köra fullastsimuleringar med lägsta temperaturen 75°C. Följaktligen finns inga data på maskinens prestanda för drivtemperaturer under 75°C eller under dellast.
Carrier erbjuder fjärrövervakning med s.k. gateways till de öppna protokollen LON, Modbus eller Bacnet. Man kan även övervaka maskinen över internet genom Carriers egna webserver.
Dessa är tillval. Via fjärrövervakningen kan man övervaka och ändra parametrar men man kan inte återställa larm, det måsta göras på plats. Modellen är utrustad med automatisk vakuumpump.
I priset ingår service en gång i halvåret under garantitiden som är två år. De har inga uttalade krav på regelbunden tillsyn men rekommenderar en service två gånger per år.
Inkopplingsprincip på fjärrvärmenät
En AKM som drivs av ett fjärrvärmenät kan kopplas fram/retur (f/r) som en vanlig
värmeförbrukare eller fram/fram (f/f) så att vattnet får fortsätta till de på nätet efterföljande värmeförbrukarna. Figur 14 och Figur 15 visar principen för hur en AKM (3) kan kopplas in mot fjärrvärmens framledning (1) och returledning (2) samt hur värmekunderna (4) är inkopplade.
Figur 14: Principskiss för en f/f-kopplad AKM.
Figur 15: Principskiss för en f/r-kopplad AKM.
Temperaturskillnaden mellan fram- och returledningen under sommaren är vanligtvis 20°C.
Temperaturskillnaden på hetvattnet för en AKM före och efter generatorn är bara 5°C så att en f/r-koppling skulle bidra till en ökad returtemperatur.
Konsekvenserna av en högre returtemperatur är en ökad värmeförlust i fjärrvärmenätet samt en högre inloppstemperatur till värmekondensorerna på Lulekraft.
Hur stora dessa konsekvenser blir beror på storleken på AKM:en och var på fjärrvärmenätet den kopplas in. Kopplas en stor AKM in i fjärrvärmens periferi innebär det en hög
returtemperatur som bidrar till ökade värmeförluster från returledningen. En högre returtemperatur till värmeverket skulle påverka processen marginellt. (14)
Lulekraft påverkas endast av en förhöjd returtemperatur beroende på storleken på AKM:en vilket åskådliggörs i Figur 16.
Figur 16: Fram/fram-kopplade absorptionskylmaskiners inverkan på returtemperaturen i fjärrvärmenätet vid nominellt flöde 1000m3/h. Den högra axeln anger den totala effekten.
Observera att de båda skalorna på y-axeln är skilda från varandra!
En f/r-kopplad AKM kan dock kopplas in på många ställen i fjärrvärmesystemet eftersom att den begränsande faktorn är flödet som fjärrvärmekulverten kan leverera p.g.a.
rördimensionerna. Under sommaren är flödet omkring en fjärdedel av vinterflödet.
20000 25000 30000 35000 40000 45000
55 57 59 61 63 65 67
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Returtemperatur °C
Ökat flöde [m^3/h]
Returtemperatur och effekt som funtion av ökat flöde
Returtemperatur
Total effekt
En AKM som kopplas in enligt f/f-principen sänker framledningstemperaturen för de på fjärrvärmenätet efterföljande förbrukarna med upp till 5°C. Denna temperatursänkning hos värmeförbrukarna antas kunna kompenseras med ett större flöde. Om temperaturskillnaden mellan fram- och returledningen sänks med en fjärdedel samtidigt som effekten hos
värmeförbrukarna ska bibehållas så måste flödet höjas med en tredjedel enligt 𝑃 = 𝑞 × ∆𝑇 × 𝐶𝑝
𝑃𝑓ö𝑟𝑒 = 𝑃𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟
𝑞𝑓ö𝑟𝑒 × ∆𝑇 × 𝐶𝑝 = 𝑞𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟 × 0,75∆𝑇 × 𝐶𝑝 𝑞𝑓ö𝑟𝑒 × ∆𝑇 × 𝐶𝑝
0,75∆𝑇 × 𝐶𝑝 = 𝑞𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟 =𝑞𝑓ö𝑟𝑒 0,75 där
P = Värmeeffekt [kW]
q = Flöde [m3/s]
ΔT = Skillnad mellan fram- och returtemperatur [°C]
Cp = Värmebärarens specifika värmekapacitet [kJ/kg*K]
En nackdel med f/f-principen är att de på fjärrvärmenätet efterföljande värmeförbrukarna måste förbruka ett större flöde än kylmaskinen i varje ögonblick. Som tidigare visat så är fjärrvärmelasten låg under den tid på dygnet då kylbehovet är som högst.
Temperatursänkningen innebär också att man inte kan seriekoppla flera AKM:er för att den första maskinen sänker framledningstemperaturen i fjärrvärmenätet för mycket.
Det är tänkbart att man kombinerar fram/fram- och fram/returkopplingen som i Figur 17.
Figur 17: Om absorptionskylmaskinens flöde begränsas av värmeförbrukarna i en f/f- koppling kan överskottsflödet från maskinen gå till returledningen via en bypassventil.
Då kan man köra en AKM som fram/fram så länge som flödet till värmeförbrukarna överskrider kylmaskinenes flödesbehov. När kylmaskinen kräver större flöde än värmeförbrukarna kan överskottet från kylmaskinen gå till fjärrvärmereturen.
Ettnoll
MECAD har utvecklat programserien Ettnoll som används för att hantera olika nät t.ex.
fjärrkylnät, elnät, gasnät, VA-nät, parkplaner och fjärrvärme.
Fjärrvärmeversionen är det som nyttjats i detta arbete så hädanefter avses den versionen när Ettnoll nämns.
Ettnoll är ett GIS-program som kan lagra stora informationsmängder men också åskådliggöra den på ett grafiskt och lättgripligt sätt.
Det finns säljstöd så att säljare kan markera ut status på potentiella kunder, om intresse eller en överenskommelse finns, tillsammans med effektbehov och energibehov.
I projektfasen kan kulverdragningar ritas in, flöden och tryckfall beräknas. Fotografier kan även infogas från t.ex. grävning av kulvert.
I denna rapport har databasen på fjärrvärmenätet använts för att ge en överblick över flödet i fjärrvärmenätet i ett typiskt sommarfall. Senare har programmets beräkningsverktyg använts för att ge tryck- och värmeförluster i nätet vid specifika driftsfall.
Fjärrvärme i Luleå
SSAB tunnplåt i Luleå producerar råstål av olika kvalitéer. Som biprodukt fås bland annat brännbara processgaser av varierande energiinnehåll. Lulekraft, som ägs till hälften av SSAB och till hälften av Luleå kommun, köper processgasen av SSAB och levererar värme till Luleå energis fjärrvärmenät. Lulekraft producerar även el till SSAB och säljer överskottet till
Vattenfall AB.
Under sommaren facklas en stor mängd processgas bort på SSAB för att det inte finns nog med fjärrvärmeförbrukning eller kylning till elproduktion. Under 2007 facklades 466GWh processgas bort(14).
Fjärrvärmenätet i Luleå ägs och drivs av Luleå Energi. På vintern levererar Luleå energi cirka 320MW fjärrvärme med 110°C framlednings- och 65°C returtemperatur. På sommaren ligger effekten på cirka 25-30MW med en framledningstemperatur på 72-75°C. Returtemperaturen varierar och brukar vara som lägst i maj då den är omkring 45°C för att sedan gå upp till omkring 55°C i juni.
Carrier, som hade den bäst lämpade maskinen, kunde inte göra körningar på drivtemperaturer lägre än 75°C. Därför gjordes en beräkning på hur stora värmeförlusterna skulle bli om man skulle ha 75°C framledningstemperatur i nätet hela sommaren. Beräkningarna gjordes i Ettnoll där värmeförlusterna i fjärrvärmenätet beräknas enligt
𝑞𝑡𝑜𝑡 = 𝑇1+𝑇2
2 − 𝑇0 × 4𝜋𝜆𝑖 × 𝑠 och
𝑠−1 = 2𝜆𝑖 𝜆𝑔
2𝐻
𝑟0 + ln 𝑟02
2𝐷𝑟𝑖 +𝜆𝑖−𝜆𝑔 𝜆𝑖+𝜆𝑔
× ln 𝑟04 𝑟04 − 𝑆4 −
𝑟𝑖 2𝑆 −
𝜆𝑖−𝜆𝑔
𝜆𝑖+𝜆𝑔× 2𝑟𝑖× 𝑆3 𝑟04− 𝑆4
2
1 + 𝑟𝑖 2𝑆
2+ 𝜆𝑖−𝜆𝑔 𝜆𝑖+𝜆𝑔
2𝑟𝑖× 𝑟02 × 𝑆 𝑟04− 𝑆4
2
T1= Temperatur i rör 1 [K]
T2= Temperatur i rör 2 [K]
T0= Utomhustemperatur [K]
λg = värmeledningsförmåga i marken [W/m*K]
λi = Värmeledningsförmåga i isolering [W/m*K]
H = Avstånd mellan markyta och rörcentrum [m]
r0 = Inre rörradie [m]
ri = Yttre rörradie [m]
S = Halva centrumavståndet mellan rör 1 och 2 [m]
Strategin var att göra två beräkningar där endast framledningstemperaturen ändrades. Den första beräkningen grundades på de på Lulekraft uppmätta medeltemperaturerna. I den andra beräkningen sattes framledningstemperaturen till 75°C.
Vid beräkningarna togs T0 från SMHI. De övriga värdena togs från databasen i Ettnoll.
Förlusterna i den andra beräkningen hade ökat med totalt 325 MWh vilket verkar vara rimligt men bör betraktas som ett ungefärligt värde.
För att kartlägga flödet i fjärrvärmenätet användes Ettnoll och en befintlig databas med tidigare förbrukningsvärden under vintern. Fram- och returledningstemperaturen ändrades från vintertemperaturer till 75°C respektive 55°C. Därefter justerades effektförbrukningen procentuellt lika mycket hos varje värmeförbrukare i nätet för att den totala effekten skulle stämma med en generell förbrukning i juni som nämndes tidigare, d.v.s. 25MW.
I Ettnoll kunde man sedan se flödet i valfri punkt på fjärrvärmenätet. Genom att använda en funktion i programmet som kallas tematiskt skikt kunde fjärrvärmeledningarna ritas ut med olika färg beroende på flöde som i Figur 18. Flödet delas in i tio intervaller där kulvert med lägst flöde ritas med gult och högst flöde med rött. Genom detta kan man snabbt få en uppfattning om vart det finns potential att koppla in en AKM enligt f/f-principen.
Figur 18: Ett exempel på funktionen tematiskt skikt där flödet i fjärrvärmekulverten
åskådliggörs genom att färgen på kulvertlinjen ändras från gult till rött med ökat flöde i tio steg.
Lulekraft, som står för uppvärmningen av fjärrvärmen har loggat flöde, effekt, framlednings-, retur-, och utetemperatur varje timme juni - augusti 2007 och samma period under 2008.
Diagram gjordes för att se hur dessa värden förändrades över dygnet och återfinns i bilaga A.
Lulekraft debiterar idag cirka 170kr/MWh. Vid en förfrågan på specialpris för värmedriven kyla angavs att det lägsta priset, som är i närheten av självkostnadspris, till 40kr/MWh.(15) Medelvärdet för augusti 2008 består bara av värden fram till den 19:e för att resten av
månaden hade felaktiga mätvärden. Några ytterligare uppenbart felaktiga mätvärden togs bort men detta anses inte ha påverkat resultatet.
Kyltorn
Som tidigare har nämnts krävs det 2260kJ/kg för att förånga vatten. Den här energin kan antingen tillföras direkt eller tas från omgivningen. I kyltornet utnyttjas fasövergången genom att varmtvatten avdunstar till följd av en påtvingad luftström eller självdrag. När luftströmmen träffar vattendropparna åstadkoms en temperatursänkning, värme transporteras från det
varmare vattnet till den omgivande luften, genom förångning, konvektion och strålning. Dessa mekanismer åskodliggörs i Figur 19. Strålningsbidraget för vattenånga är så litet att det kan försummas(16). Förångningen uppkommer p.g.a. en tryckskillnad mellan vattendroppens yta och den strömmande luften och står för huvuddelen av värmetransporten, medan konvektion och ledning står för mellan 25-35 % (16). Vattnets temperatursänkning begränsas av
termometerns våta respektive torra temperatur som i sin tur beror av den relativa luftfuktigheten hos den omgivande luften. Så länge den omgivande luften har en relativ luftfuktighet som är mindre än 100 % kan värmetransporten ske genom avdunstning.
Våttemperaturen eller kylgränstemperaturen som den också kallas är den lägsta temperatur som kan nås genom evaporativ kyla (1).
Värmeöverföringsteori i kyltorn
Värmeöverföringen sker mellan två fluider, luft och vatten. Den tillförda luftens fuktinnehåll går från omättad till mättad medan vattnet avkyls. Som tidigare nämnts sker
värmeöverföringen vid gränsytan mellan vattnet och luften genom förångning, därefter sker värmeöverföringen mellan vattenångan och den omgivande luftströmmen via konvektion.
Den resterande värmemängden överförs genom ledning och konvektion fluiderna emellan.
Figur 19: Värmeöverföring till omgivningen.
(16)
Det blir väldigt mödosamt om kyltornskapaciteten ska beräknas genom mass- och värmetransporten var för sig.
Beräkningarna kan förenklas med hjälp av Merkels teori. Merkels teori säger att den totala värmeöverföringen som sker i en godtycklig punkt i kyltornet är proportionell mot skillnaden mellan det totala värmet hos den omgivande luften i den punkten och det totala värmet i den mättade luften vid samma temperatur som vattnet i samma punkt(16).
Merkels formel:
𝑄 = 𝐾 × 𝐴 × 𝐻𝑤 − 𝐻𝑔 Q = värmeöverföringen genom ledning och förångning [kW]
K = masstransportkoefficient [kg/m2s]
A = kontaktarea mellan luft och vatten [m2]
Hw = entalpi för mättad luft vid vattens temperatur [kJ/kg]
Hg = entalpi hos omgivande luft [kJ/kg]
A och K kombineras till KgA som grundas på enhetsvolymen av kyltornets packing. Genom detta slipper man bestämma kontaktarean mellan luft och vattnen.
Nästa steg blir att teckna ett uttryck för värmemängden som vattnet avger samt den värmemängd som luften tar upp.
Total värmemängd som vattnet avger:
𝛷𝑤 = 𝐿𝑤 × 𝐶𝑝𝑤 𝑇1− 𝑇2 Φw = totala värmemängden som avges från vattnet [kW]
Lw = massflöde vatten [kg/s]
Cpw = specifik värmekapacitet för vatten vid konstant tryck [kJ/kgK]
T1 = inloppstemperatur [°C]
T2 = utloppstemperatur [°C]
Total värmemängd som luften tar upp:
𝛷𝑎 = 𝐿𝑎(𝐻𝑔1− 𝐻𝑔2) Φa = totala värmemängden som upptas av luften [kW]
La = massflöde torr luft [kg/s]
Hg1 = entalpi hos luften vid inlopp [kJ/kg]
Hg2 = entalpi hos luften vid utlopp [kJ/kg]
Om värmeförlusterna till omgivningen försummas är vattnets avgivna värmemängd lika med den värmemängd som luften tagit upp. Φw = Φa tecknas enligt följande:
𝐿𝑤 × 𝐶𝑝𝑤 𝑇1− 𝑇2 = 𝐿𝑎(𝐻𝑔1− 𝐻𝑔2) Efter omskrivning fås uttrycket:
𝐻𝑔1 =𝐿𝑤 × 𝐶𝑝𝑤 𝑇1− 𝑇2
𝐿𝑎 + 𝐻𝑔2
Det kan konstateras att det råder ett linjärt förhållande mellan Hg1 och Hg2. Det vertikala medelavståndet mellan mättnadslinjen och Hg1Hg2-linjen (se Figur 20) kan antingen beräknas matematiskt genom integration eller via Stevens diagram.
Ett medelvärde på entalpiskillnaden mellan mättnadslinjen och Hg1Hg2-linjen måste beräknas eftersom Merkels ekvation endast gäller för en enda punkt i kyltornets packing, medan förutsättningarna hos vattnet och luften varierar beroende på i vilken punkt man befinner sig i(16). Med hjälp av medelentalpiskillnaden kan den totala värmeöverföringen beräknas.
Totala värmeöverföringen tecknas:
𝛷𝑡 = K𝑔A × l × a × ∆Hm Φt = total värmeöverföring [kW]
l = packing höjd [m]
a = packing area [m2]
KgA = volymetrisk värmeöverföringskoefficient [kg/m3s]
ΔHm = medelentalpiskillnad [kJ/kg]
Vidare gäller då att Φw = Φa = Φt,, som efter omskrivning tecknas:
K𝑔A =𝐿𝑎 × (𝐻𝑔1− 𝐻𝑔2) l × a × ΔHm
Flödena La och Lw antas vara konstanta, genom förångning är fallet inte så i praktiken men vid normala temperaturer blir felet så litet att det kan försummas.
KgA beräknas med av tillverkaren framtagna kapacitetskoefficienter enligt formel:
K𝑔A = C × Lw m
× La n
Figur 20: Diagram över hur vattnets specifika entalpi varierar med temperaturen. (15)
Lw = massflöde vatten [kg/s]
La = massflöde torr luft [kg/s]
a = horisontell tvärsnittsarea på kyltornets packing [m2] C, m, n = Kapacitetskoefficienter hos kyltornets packing
För att bestämma ΔHm kan man använda Stevens diagram. För vattentemperaturer i toppen botten och mitten av kyltornet hämtas entalpivärden från tabell. Entalpiskillnaden betecknas som γ1, γ2och γm. Dessa görs sedan om till ett förhållande γm/γ1 respektive γm/γ2, med dessa kan man sedan utläsa Stevens faktor ur Stevens diagram, se Figur 21.
γ1 = H𝑤1− H𝑔1 γ2 = H𝑤2 − H𝑔2 γ𝑚 = H𝑤𝑚 − H𝑔𝑚
Medelentalpiskillnaden kan således beräknas:
ΔHm = f × γ𝑚 = 𝑓 × (H𝑤𝑚 − H𝑔𝑚) f = Stevens faktor
Hwm = medelentalpi på mättnadslinjen [kJ/kg]
Hgm = medelentalpi på Hg1Hg2-linjen [kJ/kg]
Figur 21: Stevens diagram.
Dimensionering av kyltorn
Absorptionskylmaskinen måste ha en extern kylning. Denna kan tillgodoses med hjälp av ett kyltorn vid brist på en naturlig värmesänka. Den effekt som måste kylas bort från AKM:en är dels den tillförda drivvärmen i generator/kondensor och kylvattenreturen i
förångare/absorbator.
Den kyleffekt som kyltornet måste leverera kan helt enkelt tecknas som den effekt AKM:en levererar adderat med den effekt som tillförs genom drivvärmen enligt
𝑃𝐾𝑦𝑙𝑡𝑜𝑟𝑛 = 𝑃𝐴𝐾𝑀
𝜂𝐴𝐾𝑀 + 𝑃𝐴𝐾𝑀 där
P = Effekt [W]
η = verkningsgrad
Tre platser valdes ut i Luleå efter vilka kyltorn dimensionerades, Gestamp hardtech, LTU och Ferruform. Absorptionskylmaskiner med sammanlagd effekt på 5MW, 1.2MW respektive 0.75 MW. AKM:en har en verkningsgad på 0.7 vilket resulterar i ett kyltornseffektbehov på 12.5MW, 2.9MW och 1.8MW. AKM:en kräver ett ΔT i kylmedelskretsen på 10°C och Carrier rekommenderade 25°C in och 35°C ut. Genom att studera hur utetemperaturen har varierat i Luleå mellan 1961-2007 konstaterades att den maximalt uppgick till 32°C på
sommaren(17). Detta har inträffat en gång på 46 år. För att avgöra om kyltornet klarade av att kyla vattnet från 35°C ner till 25°C undersöktes hur månadsmedelvärdet på den relativa luftfuktigheten varierade i juni, juli och augusti baserat på mätningar mellan 1931-1960(18).
Mätningarna utfördes mitt på dagen, då kylbehovet är som störst. Månadsmedelvärdet på den relativa luftfuktigheten var 59%, 62% respektive 67% för juni, juli och augusti. Med en utetemperatur på 30°C och en kylgränstemperatur på högst 25°C kan den tillåtna relativa luftfuktigheten avläsas i Mollierdiagrammet i Figur 22. Den relativa luftfuktigheten får inte överskrida 67% om en kylgränstemperatur på 25°C skall uppnås vid en utetemperatur på 30°C.
Figur 22: Mollierdiagram för vatten.(19)
I dagsläget används datorprogram vid beräkning av kyltornsstorlek för en fastställd kyleffekt.
Men värmeöverföringsteorin är ett bra komplement för att verifiera beräkningarna.
BAC
Efter samtal med Carrier rekommenderades kyltornstillverkaren BAC. Som representant för Baltimore aircoil i Sverige var Lindberg solutions. Efter samtal med Robert Lindberg där kyltorneffekterna, kylvattentemperaturerna samt plats presenterades, utförde Robert datorberäkningar på lämpliga kyltornsstorlekar.
Kyltornet i Figur 24 är tillverkat av BAC (Baltimore aircoil) och tillhör deras VXT serie.
Kyltornstypen är den vanligast förekommande i Sverige. Processen kan beskrivas i följande steg: Luften tas utifrån och sugs in i centrifugalfläkten som sedan blåser in den i kyltornet.
Luftströmmen går sedan genom hela kyltornet och släpps ut på ovansidan. För att begränsa vätskeförlusterna sitter det ett skydd (drift eliminators) innanför luftutsläppet som förhindrar vattendroppar från att följa med luftströmmen. Vattnet leds in i övre delen av kyltornet och fördelas jämt genom flera spraymunstycken. Det varma vattnet träffar ett system av vertikala pvc-skivor (packing) som vattnet rinner längs i form av en tunn film, se Figur 23.
Figur 23: Kyltornets packing(20).
Detta bromsar upp vattnet samtidigt som man får en maximal exponerad ytarea från vilken förångningen kan ske. Vattnet samlas tillslut upp i kyltornsbassängen längst ner från vilken det kylda vattnet pumpas ut.
Kyltorn med centrifugalfläkt är lite mer platskrävande och lite dyrare i inköp men genererar i regel ett högre tryck samt har en tystare gång, jämfört med axialfläktskyltorn(16). De olika kyltornseffekterna och föreslagna budgetpriserna kan ses i Tabell 1.
Figur 24: Kyltorn från VXT-serien tillverkat av BAC. 1. Luftlopp, 2. Luftutlopp, 3. Varmvatten inlopp, 4. Kyltvatten utlopp, 5. Vatten, 6. Packing, 7. Kyltornsbassäng, 8.
Spraymunstycke och 9. Drift eliminator.(21)
Tabell 1:Kyltornsmodellerna med effekt, flöde och pris.
Modell Antal Kyltornseffekt Kylvattenflöde Pris/st
VXT 1200 2 7033 kW 168 l/s 1360000 kr
VXT N510 1 2914 kW 69.6 l/s 650000 kr
VXT N345 1 2064 kW 44.4 l/s 460000 kr
Under drift avdunstar det vatten från kyltornet. Vattnet måste ersättas och detta sker genom det kommunala vattennätet. När kyltornen går på full effekt avdunstar det 9.2m3/h, 3.7m3/h och 2.4 m3/h från respektive kyltorn i storleksordning.
Legionellarening
Legionella pneumophila är en bakterie som finns naturligt i stillastående vatten. Bakterien tillväxer i temperaturer mellan 18-45°C och orsakar legionärssjuka och pontiacfeber(22).
Legionärssjuka är en lunginflammation orsakad av legionellabakterier och för att bli sjuk måste man i regel andas in bakterien och samtidigt ha någon nedsättning av
immunförsvaret(23). Legionella smittar genom att bakterien sprids i små vattendroppar (aerosoler) och behandlas med antibiotika(22). Pontiacfeber är en självläkande sjukdom med influensaliknande symtom(22).
För rening av kyltornet rekommenderades IKP vattenvård av kyltorntillverkaren. Där kontaktades Anders Bjarneklint som tillhandahöll information om deras reningssystem och problematiken med kyltorn.
I kyltornet råder det en gynnsam temperatur för bakterietillväxt 25-35°C och efterhand bildas det en biofilm i tornet där bakterier kan växa och frodas. För att förhindra detta måste
kyltornet renas från bakterier och en korrosionsinhibitor tillsättas som förhindrar korrosion och biofilmens vidhäftning.
Wallenius AOT är ett reningssystem där man med hjälp av UV-ljus som träffar en fotokatalysisk halvledaryta, bildar fria radikaler som oxiderar organiska och oorganiska substanser och oskadliggör dessa(24). Frånsett inhibitorn behöver man inte tillsätta några kemikalier så det är en miljövänlig reningsmetod. Om de fria radikalerna inte räcker till får man komplettera med kemikalier så som biocider.
I Figur 25 nedan finns det ett exempel på hur reningssystemet kan kopplas in. Principen är att koppla in en cirkulerande krets över kyltornsbassängen med ett flöde på 5m3/h, vattnet får gå igenom ett mekaniskt filter och sedan vidare genom AOT-renaren innan det leds tillbaka till kyltornbassängen. Ett litet flöde tas ut från cirkulationsflödet, till det kopplas
kyltornscontrollern och doserpump för inhibitor (och biocider). Kyltorncontrollern bestämmer hur stor avblödning respektive uppkoncentrering systemet skall ha.
Figur 25: Legionellareningssytemet.
Ackumulator
Kylbehovet över dygnet kan variera ganska kraftigt som man kan se i Figur 26. Detta beror förstås på att solinstrålningen, utetemperaturen och den interna värmestrålningen är högre under dagen än under natten.
Figur 26: Kylbehov över dygnet i fjärrkylnät i tre svenska kommuner.(25)
En ackumulator används för att jämna ut effektuttaget på kylmaskinen. En orsak är att
upp under tiden på dygnet med låg last, och laddas ur under tiden med hög last. Med en ackumulatortank kan man dimensionera kylmaskinen efter dygnets medeleffekt istället för maxeffekt. Det ger en lägre investeringskostnad för kylmaskinen och även för kyltornet om man använder ett sådant. Kylmaskinen körs då med en kontinuerlig och hög last och därmed en högre verkningsgrad.
Den enklaste versionen består av en isolerad tank med vatten. Genom att tillföra det kalla vattnet i botten och det varmare returvattnet vid toppen så erhålls en skiktning. Inloppen i tanken utformas för att få låg strömningshastighet och generera så lite omröring som möjligt.
För att reducera värmeförlusterna mellan den kallare och den varmare delen i tanken bör tanken om möjligt vara avlång och stående.
Tanken laddas med sexgradigt vatten och returen består av tolvgradigt, liksom fram- och returtemperaturen hos kylmaskinen. Vatten har en specifik värmekapacitet på 4,18kJ/kg och temperaturskillnaden är i detta fall är sex grader, vilket ger en energilagringsdensitet på 7kWh/m3 enligt
𝐸 = 𝑚 × ∆𝑇 × 𝐶𝑝 = 1000 × 6 × 4,18 = 25,08𝑀𝐽 = 6,97𝑘𝑊
där
E = Värmemängd [kJ]
M = Massan [kg]
ΔT = Temperaturskillnaden mellan in- och utlopp i ackumulatortanken [K]
Cp = Vattnets specifika värmekapacitet [kJ/kg*K]
När det gäller komfortkyla så har det visat sig att en ackumulatortank ofta är lönsam om det finns plats för den. Både i fall där ackumulatortanken gjort det möjligt att investera i en mindre kylmaskin redan från början, men även då det redan har funnits en kylmaskin. Då har systemet kunnat leverera en större kyleffekt och kylmängd. Investeringskostnaden och därmed lönsamheten för ett kyllager är beroende av hur variationen ser ut. En kortvarig hög effekt kan hanteras med ett relativt litet lager och en långvarig, aningen höjd effekt leder till ett stort lager som är mer kostsamt. Detta kan ses i Figur 27. För att ersätta maskinerna på 1MW med maskiner på 800kW så skulle det för AKM 1 krävas en lagringskapacitet på 600kWh och AKM 2 skulle kräva ett lager med över 1400kWh.
Figur 27: Exempel på hur kylförbrukningen över dygnet påverkar medeleffekten och därmed storleken på ackumulatortanken.
En annan typ av energilager är PCM-lager (Phase change material), där man nyttjar den större energin som krävs/avges vid en fasövergång. Vid laddning av lagret kyls lagringsmediet ner och övergår till fast form. Vid urladdning värms lagringsmediet upp av köldbäraren och övergår då till flytande form.
Att lagra kyla genom att frysa vatten till is är inte möjligt här då en absorptionskylmaskin med LiBr och vatten inte kan arbeta med minusgrader i förångaren. Istället använder man paraffin eller salt. Ett PCM-lager håller konstant temperatur så länge det finns material i både fast och flytande fas. Temperaturen beror på vilket lagringsmedie man använder. Lagringsmediet kan vara inkapslat i plattor, bikakor eller liknande men också som en uppslamning av materialet och vatten fritt i en tank, s.k. slurry(26).
Energilagringsdensiteten när man nyttjar fasändring (latent lagring) är mindre beroende av temperaturskillnaden i systemet då den stora delen av energilagringen sker genom en
fasövergång. När man däremot nyttjar ett ämnes specifika värmekapacitet (sensibel lagring) är energilagringsdensiteten direkt proportionell mot temperaturskillnaden. Detta gäller för
applikationer där temperaturskillnaden är liten, t.ex. i ett fjärrkylnät. Då kan storleken på ett PCM-lager vara en femtedel av storleken på en vattenackumulator med samma
energilagringsförmåga(25). Ett PCM-lager är intressant om det fysiska utrymmet är begränsat, i annat fall så är ett vattenlager både enklare och billigare.
Förluster i en vattentank är omkring 6% där den stora förlusten kommer när det övre, varma lagret blandas med det undre, kalla(27). Ett PCM-lager lider inte av dessa förluster och med den mindre mantelaren blir också dessa förluster lägre.
0 200 400 600 800 1000 1200
00-01 05-06 10-11 15-16 20-21
Kyleffekt [kW]
Tid på dygnet
Kyleffekt och medeleffekt över dygnet
Kylbehov 1 Kylbehov 2 Medeleffekt 1 Medeleffekt 2
Fjärrkyla i Umeå
I Umeå finns två absorptionskylmaskiner från York i två separata kylnät. På Ålidhem finns en älvkyld på 4,8MW, installerad år 2000. Den drivs av 95-gradigt hetvatten från biopannan, som också är belägen på Ålidhem. En ackumulatortank, installerad 2003 med 4000m3 vatten finns också där för att ta upp dygnets variation i kylförbrukning. Kylnätet sträcker sig från Ålidhem till centrum och Mariehem och förser bland annat Norrlands universitetssjukhus och Umeå universitet med kyla.
Maskinen är kopplad enligt fram/fram-principen och är kopplad så att den kan drivas direkt med hetvattnet från pannan.
I det andra nätet finns en maskin på 2MW, installerad 2004, som drivs av fjärrvärmenätet och kyls av ett kyltorn. Fjärrvärmen kommer ifrån Dåvamyrans kraftvärmeverk där bränslet är avfall. Fjärrvärmen håller en temperatur på 95°C även på sommaren och Umeå energi kan koppla den fram/fram eller fram/retur.
Under den kallare delen av året fås kyla från separata värmeväxlare för frikyla samt kompressorer. Värmen från kondensorerna tas tillvara på för uppvärmning(30).
Kylbehov i Luleå
För att få reda på den befintliga kylan i Luleå beställdes ett utdrag från
köldmedieanmälningarna från miljökontoret. De geografiska områden som undersöktes var Kallaxheden, Stadsön, Svartön, Hertsön, Björksgatan, Porsön och områden däremellan.
I utdraget anges hur många kg som finns installerat i fastigheterna av typerna CFC, HFC och HCFC. Information om naturliga köldmedier såsom kolväten, ammoniak och koldioxid finns alltså inte. Fastighetsägare med en total köldmediemängd över 10 kg har anmälningsplikt. Vid underlåtande av anmälning utgår vite, så utdraget anses vara tillförlitligt.
Det intressanta är inte primärt mängden köldmedie, utan kyleffekten. Kyleffekten per kg köldmedie i kompressorkylmaskiner för komfortkyla kan variera från omkring 2kW/kg till närmare 13kW/kg(28) och beror på bl.a. arbetstemperatur, ålder, storleken och konstruktionen på maskinen.
Ett schablonvärde på 4kW/kg har antagits vid en tidigare undersökning(29) och sattes in som den specifika kyleffekten i Ettnoll. Köldmediemängderna placerades ut geografiskt som punkter med diametern proportionell mot köldmediemängden som i Figur 28. Enligt källan är 4kW/kg ett rättvisande medelvärde som inte är för högt, men från kylmaskin till kylmaskin kan värdet variera. I de tre fall som undersöktes närmare var 4kW ett lite för högt värde. Trots variationen så ger detta en bra indikation på vilka potentiella kunder som kan vara intressanta att studera vidare.
