Teplo z výroby ľadu využívajú na vykurovanie a vzduchotechniku
Teplo z výroby ľadu využívajú na vykurovanie a vzduchotechniku
Športové centrum Montreal
Nahradili stroje s 900 kg R22 za systém s 500 kg CO2 s výkonom 362 kW, 110/20 bar
Pred 10 rokmi fungoval celý športový areál na R22 teraz na CO2 a to na mrazenie, chladenie, vykurovanie i klimatizáciu. V celkových prevádzkových nákladoch dosiahli úsporu 30 % vďaka aj využívaniu kondenzačného tepla na vykurovanie, ohrev teplej vody a tiež ohrev bazénovej vody. Aby systém zvládol všetky funkcie vykurovania, prevádzkujú ho v nadkritickom režime aj vtedy, keď vonkajšia teplota je nízka a umožňovala by efektívnejší podkritický obeh. Nadkritický obeh je klasický bez doplňujúcich zariadení (ejektory, ...).
Podobný systém máme
v hoteli Altis na Orave, ale s chladivom amoniak
V roku 2007 sme v ňom mali konferenciu Zväzu a zorganizovali sme hokejový turnaj. Teplo z výroby ľadu sa využíva v lete na ohrev bazénu a v zime na vykurovanie hotela, čím sa čiastočne nahradilo vykurovanie uhlím.
Stav vývoja dvojfázových ejektorov
ICR kongres Montreal a CanmetEnergy Varennes
Potenciál ejektorov v chladiacom okruhu je najmä pre nadkritické okruhy s chladivom CO2, ale vo výskumnom ústave Canmet Energy vo Varennes skúmali možnosti ejektorov pre chladenie s chladivami R134a, R245fa, s vodou a potencionálne s R410A alebo s R1234yf. S vodou dosahujú najmenšie chladiace výkony. Zatiaľ nepoužívajú horľavé chladivá, ktoré sú ekologické a pre ejektorové chladenie tiež vhodné.
Hnací plyn prechodom cez dýzu premieňa svoju tlakovú energiu na rýchlostnú energiu a znižuje sa tlak na výstupe z venturiho dýzy, čím sa umožňuje vstup do prúdu parám s výparníka o vyššom tlaku. Oba prúdy sa zmiešavajú v prúdovej komore, za ktorou sa ich rýchlosť znižuje v difuzéri a zvyšuje sa statický tlak, s ktorým suché, alebo mokré pary vstupujú do rozdeľovača na kvapalinu a pary.
Na obrázku podľa Prof. Elbela sú znázornené podstatne vyššie straty entalpie s chladivom CO2 (čierny prúžok) pri transkritickom obehu ako u podkritických obehoch s chladivami R134a a R410A pri rovnakom chladiacom výkone, čo do značnej miery závisí od hmotnostného prietoku, ktorý má CO2 chladivo pre daný výkon najvyšší. To znamená, že chladivo CO2 má s ejektorom najvyšší potenciál na znovu využitie expanznej práce a tým na zlepšenie COP zvýšením sacieho tlaku kompresora a tiež s možnosťou preplňovania výparníka kvapalným chladivom.
Dizajn ejektora
Má dôležitú úlohu z hľadiska jeho účinnosti. Dvojfázový ejektor má schopnosť využiť energiu expandovaného chladiva vo výparníku, ktorý môže byť preplňovaný a udržať v ňom rôzne výparné teploty, ak sa dá ovládať výkon ejektora. Má významnú úlohu pri zvyšovaní efektívnosti chladiacich okruhov s CO2. Pri jeho uplatnení sa kladie dôraz na zlepšovanie konštrukcie odlučovača pár/kvapaliny chladiva, výparníka a tiež veľmi dôležité je ovládanie výkonu ejektora. Výkon ejektora sa dá regulovať pomocou multiejektora (paralelnými ejektormi) alebo ejektorom s ovládaním prietoku cez dýzu napríklad pomocou ihly posúvanou krokovým motorom. Skúma sa tiež možnosť ovládania prietoku so vstupujúcim regulovateľným vírom (vortex-controlled ejector) na nadkritických okruhoch s CO2. Reguluje sa tak prietok cez ejektor bez zmeny jeho geometrie. Od tohto spôsobu sa očakávajú ďalšie zlepšenia. Zatiaľ však nie je priemyselne vyrábaný.
Ovládanie okruhov s ejektormi
Používané sú najmä možnosti ovládania chladiacich okruhov s ejektormi na obrázku. V súčasnosti je vo veľkých okruhoch na CO2 používaný najmä multiejektor či už na suché alebo mokré pary. V ponuke je však už aj ejektor s nastaviteľnou ihlou posúvanou krokovým motorom.
Obrázok ukazuje spôsoby ovládania vysokotlakej strany ejektora použitím a) nastaviteľnou ihlou s krokovým motorom, b) paralelnou zostavou ejektorov (multiejetor), c) expanzný ventil v sérii alebo paralelne s ejektorom
Integrácia ejektora do chladiaceho okruhu
Najbežnejší spôsob je využitie ejektora v nadkritickom chladiacom cykle s chladivom CO2 ako prúdového kompresora zvyšujúceho sací tlak pár z výparníka na tlak v odlučovači kvapaliny a pary a nahradiť tak časť práce kompresora. Energetická efektívnosť takéhoto obehu sa maximalizuje optimalizáciou tlaku v chladiči plynu.
Do ejektora môžu tiež vstupovať mokré pary, ktoré môžu za ejektorom vstupovať buď do odlučovača kvapaliny a pary, alebo do výparníka a následne do odlučovača kvapaliny a pary.
V oboch prípadoch je dôležitá z hľadiska energetickej efektívnosti možnosť eliminovania prehriatia preplnením výparníka kvapalinou.
Štandardný nadkritický chladiaci cyklus s chladivom CO2 s ejektorom znázornený aj v ln p-h diagrame. Hnacím plynom sú horúce pary z chladiča plynu. Nasávané sú pary z výparníka, ktoré po zmiešaní v ejektore s hnacím plynom vstupujú do separátora kvapaliny a pary.
Mokré ejektory v okruhoch s recirkuláciou
Štandardne sa používajú v nadkritických okruhov s CO2 na prisávanie mokrých pár respektíve kvapaliny z odlučovača kvapaliny a pary umiestneným za preplňovaným výparníkom so strednou výparnou teplotou, ktorý tak môže byť preplňovaný (bez prehriatia), čím sa zvyšuje jeho chladiaci výkon.
Iným riešením je nadkritický chladiaci cyklus s chladivom CO2 a s tzv. mokrým ejektorom s recirkuláciou. V tomto prípade ejektor vlastne čerpá zo separátora kvapalinu expandovanú cez expanzný ventil do výparníka, odkiaľ mokré pary vstupujú späť do separátora. Preto sa tomuto riešeniu hovorí recirkulačný cyklus ejektorom (recirkulácia kvapaliny cez výparník). Ejektor je tak využitý na preplňovanie výparníka a nahrádza klasické čerpadlo kvapaliny. Týmto spôsobom je znížená práca kompresora.
Nadkritický recirkulačný chladiaci cyklus s chladivom CO2 a s tzv. mokrým ejektorom znázornený aj v diagrame ln p-h diagrame. Hnacím plynom sú horúce pary z chladiča plynu. Nasávané sú mokré pary z expanzného ventilu, ktoré po zmiešaní v ejektore s hnacím plynom vstupujú do preplňovaného výparníka kvapalinou a následne do odlučovača kvapaliny a pary
Porovnanie štandardného a recirkulačného obehu s ejektorom
Porovnanie pri rovnakom chladiacom výkone 1 kW teplote okolia 35°C pre výparník typu A preukázalo potenciál zvyšovania COP použitím tzv. recirkulačného obehu s ejektorom. COP závisí od recirkulačného pomeru hmotnostných prietokov cez výparník a kondenzátor. Recirkulačný cyklus vie dosiahnuť 16 % zlepšenie COP, ak pomer prietokov je medzi 1 - 1,1
Alternatívny nadkritický cyklus s ejektorom
Horúce pary z chladiča plynu sa rozdelia. Jeden prúd prechádza cez ejektor a druhý cez expanzný ventil do výparníka, z ktorého vystupujúce pary sú nasávané ejektorom a vytláčané do výparníka s vyššou teplotou. Tento systém chladenia s jedným prúdom chladiva cez dva výparníky ponúka chladenie pri dvoch rôznych teplotách, ale len s veľmi malým teplotným rozdielom cca 2 K.
Vo výskumnom ústave Canmet Energy vo Varennes
Skúmajú možnosti ejektorov pre chladenie s chladivami R134a, R245fa, s vodou a potencionálne s R410A alebo s R1234yf s výkonmi do 30 kW. S vodou dosahujú najmenšie chladiace výkony pod 5 kW. Zatiaľ nepoužívajú horľavé chladivá, ktoré sú ekologické a pre ejektorové chladenie tiež vhodné.
Záver s výskumu a použití ejektorov
Pre dvojfázové ejektory najatraktívnejším chladivom je CO2, hoci použitie ejektorov je vhodné aj iné nizkotlakové chladivá. Ejektory využívajúce hnaciu silu vysokotlakých pár chladiva ponúkajú zvýšenie sacieho tlaku kompresora, chladenie na dvoch teplotných úrovniach, zvýšenie chladiaceho výkonu výparníkov ich preplňovaním kvapalinou, Vyžaduje sa však optimalizácia nielen ejektorov, ich ovládania, ale tiež výparníkov, odlučovačov.
Viac informácií nájdete v časopise Správy 1/2020