INOVÁCIA KOMPRESORA NA CHLADIVO R718

INOVÁCIA KOMPRESORA NA CHLADIVO R718

Z konferencie IIR GL v Trondheime

12.-15.6. 2022

Thomas Moesch, TU, ILK Drážďany

Spracoval: Doc Ing. Peter, Tomlein, PhD.

Optimum udržateľného chladiva, ktoré okrem iných kritérií má vysoký SEER/SCOP a nízky GWP chladiva v kombinácii s nulovým ODP, možno v konečnom dôsledku dosiahnuť len s prírodnými chladivami, ako sú uhľovodíky (R290, R600a...), NH3 (R717), CO2 (R744) alebo H20 (R718). 

Trojitý bod R718 obmedzuje jeho použitie na klimatizáciu a tepelné čerpadlá. Súčasné chladiče R718 používajú hlavne turbokompresory kvôli nízkemu objemovému chladiacemu výkonu R718. 

Maximálny tlakový kompresný pomer turbokompresorov je však zhruba 2,0 (axiálny) alebo 4,0 (radiálny) na kompresný stupeň. To obmedzuje zvýšenie vnútornej teploty súčasných a budúcich chladičov R718 s turbokompresormi na približne 10 K (axiálne) … 25 K (radiálne) pre jednostupňové stroje. 

Hlavné aplikácie

Sú preto obmedzené na klimatizáciu bez odvlhčovania (napr. chladenie dátových centier) a bez rekuperácie tepla. Nový koncept skrutkového kompresora pre prototyp chladiča R718 s rekuperáciou tepla umožňuje zvýšenie teploty z 5 °C na 50 °C.

Bezolejové skrutkové kompresory na zmes amoniak voda

Z konferencie IIR GL v Trondheime

12.-15.6.2022

Podľa Marcela Ahrensa (NTUN Trondheim) proces kompresie bezolejového skrutkového kompresora so vstrekovaním kvapaliny pre absorpčno-kompresné tepelné čerpadlo (ACHP) so zmesou amoniaku a vody ako pracovnou kvapalinou, je efektívny. Teplotné obmedzenie kompresora počas procesu kompresie je kritickým parametrom pri dosahovaní vysokých výtlačných teplôt kompresora. 

Vysokoteplotné tepelné čerpadlá sú potrebné pri dekarbonizácii a zvýšení účinnosti v rôznych priemyselných aplikáciách. Kompresor je identifikovaný ako kritická hlavná súčasť skúmania vstrekovania, ktoré sa doteraz často obmedzovalo len na zmesi čpavku a vody v súvislosti s mokrou kompresiou alebo s čistými chladivami, ako napr. amoniak alebo voda. Na vyriešenie tejto existujúcej medzery vo výskume bol analyzovaný, modelovaný a simulovaný proces kompresie bezolejových kompresorov so vstrekovaním kvapaliny (NH3+R718) s dvoma skrutkami. 

Navrhnuté sú úpravy existujúceho skrutkového kompresora na použitie v systéme ACHP. Vyvinutý model je možné použiť na optimalizáciu vstrekovania kvapaliny existujúcich kompresorov pre rôzne prevádzkové podmienky. 

Schéma absorpčného chladenia s navrhovaným vstrekovaním (modrá čiarkovaná čiara) kvapaliny, zmesi amoniaku a vody, do skrutkového kompresora

V ACHP desorbér a absorbér

Sú v kontakte so zdrojom tepla a kondenzátorom. Roztok bohatý na amoniak vstupuje do desorbéra (vypudzovača) pri nízkom tlaku (10), kde sa odovzdáva teplo zo zdroja. Ako teplota stúpa, rozpustnosť zmesi amoniak-voda klesá, čo spôsobuje vypudzovanie pár amoniaku. To vedie k dvojfázovej zmesi opúšťajúcej desorbér smerom k separátoru kvapalina-para (1). Nízkotlaková para a chudobný roztok sa oddelia predtým, ako sa nasmerujú do kompresora (2) a čerpadla roztoku (4). Kompresor zvyšuje tlak a teplotu pary (2 až 3), zatiaľ čo čerpadlo zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje tlak chudobného roztoku (4 až 5). 

Na zlepšenie výkonu absorpčného cyklu

Je nainštalovaný vnútorný výmenník tepla (IHX) na prepojenie riešení. Medzi chudobným a bohatým roztokom dochádza k výmene tepla, čo vedie k zvýšeniu teploty v chudobnom roztoku (5 až 6) a zníženiu v bohatom roztoku (8 až 9). Na strane vysokého tlaku sa potom chudobný roztok (6) zmieša s parou z kompresora (3) na vstupe do absorbéra (7). V absorbéri sa para absorbuje späť do kvapalnej fázy a odvádza generované teplo do kvapaliny chladiča. Počas tohto absorpčného procesu sa koncentrácia amoniaku v kvapalnej fáze postupne zvyšuje, takže na výstupe z absorbéra vystupuje nasýtená kvapalina. Roztok bohatý na amoniak potom preteká cez IHX a potom sa priškrtí na tlak desorbéra (8 až 9 až 10), čím sa cyklus dokončí.

Obrázok  znázorňuje vývoj teploty a kvality pár s rôznymi hmotnostnými frakciami vstrekovanej kvapaliny do skrutkového kompresora k zníženiu výtlačnej teploty

Hmotnostný podiel amoniaku vstrekovanej kvapaliny ovplyvňuje výtlačnú teplotu

Zloženie pracovnej tekutiny v systéme sa mení v závislosti od prietoku roztoku a prevádzkových podmienok s podielom amoniaku vo vode od 0 do 1 pri konštantnom uhle vstrekovania 360o a hmotnostnom prietoku vstrekovania 0,01 kg/s, čo zodpovedá približne 5% nasávania kompresora. 

Teplotné krivky pre meniace sa zloženie zmesi ukazujú, že najnižšia výtlačná teplota sa dosiahne, keď je vstrekovanou kvapalinou čistá voda (𝑥𝑖𝑛𝑗=0), zatiaľ čo najvyššia výstupná teplota sa dosiahne s čistým amoniakom (𝑥𝑖𝑛𝑗=1). 

Na proces kompresie má významný vplyv aj vstrekovaný hmotnostný prietok

Predchádzajúci obrázok ukázal, že zostávajúca kvapalina (kvalita pár ≤1) počas vstrekovania je dôležitá pre výsledné parametre. Preto sa očakáva, že okrem zloženia na proces kompresie významný vplyv má aj vstrekovaný hmotnostný prietok. Na obrázku je hmotnostný podiel amoniaku v vstrekovacej kvapaline nastavený na 0,4, čo je možná hodnota pre chudobný roztok systému ACHP. Na skúmanie účinkov sa rýchlosť vstrekovania hmoty mení od 0,00 kg/s do 0,02 kg/s pri konštantnom uhle vstrekovania 360°. Obrázok predstavuje vývoj teploty a kvality pary pri rôznych hmotnostných prietokoch vstrekovanej kvapaliny.

Vývoj teploty a kvality pary s rôznymi prietokmi vstrekovanej kvapaliny

Výsledky vývoja teplôt poukazujú na významný vplyv hmotnostného prietoku na výtlačnú teplotu. Výtlačná teplota s nulovým vstrekom dosahuje až 220 °C. So zvýšenou hmotnosťou vstrekovania 0,02 kg/s sa teplota zníži na 125 °C. V prípade výtlačnej teploty 125 °C zostáva pracovná kvapalina na výtlaku v dvojfázovej oblasti. Toto a pozícia strmšieho nárastu teploty pre ostatné krivky ilustruje vývoj kvality pary. Skúmanie tlaku ukazuje, že vyšší prietok vstrekovania vedie k nižšiemu vývoju tlaku a kompresnej práci. K nadmernému stlačeniu dochádza v prípadoch, keď je rýchlosť vstrekovania nastavená na nižšiu ako 0,01 kg/sa podkompresiu v prípadoch s rýchlosťou vstrekovania vyššej ako 0,01 kg/s. Aby sa predišlo akémukoľvek pod- alebo nadmernému stlačeniu, vstrekovací hmotnostný prietok cca. Odporúča sa 0,01 kg/s (čo zodpovedá asi 5 % sacieho hmotnostného prietoku kompresora). Pre aplikáciu v systéme ACHP vzniká optimalizačný problém, ktorý je potrebné riešiť v závislosti od konkrétnych prevádzkových podmienok, s ohľadom na všetky parametre a s ohľadom na dosiahnuteľný výkon.

Model bezolejového skrutkového kompresora

So zmesou amoniaku a vody a vstrekovaním kvapaliny má cieľ zlepšiť proces kompresie a integráciou do systému ACH. Pre aplikáciu v systéme absorpčného chladenia je možné dospieť k záveru, že by sa malo uprednostňovať vstrekovanie s nízkym hmotnostným podielom amoniaku (pozri možnosť 1: vstrekovanie chudobného roztoku). Okrem toho sa zistilo, že je nevyhnutné prispôsobiť vstrekované množstvo prevádzkovým podmienkam s umiestnením vstrekovacieho otvoru, výhodne počas začiatku fázy stláčania alebo počas fázy nasávania. 

Potenciál pre vysokoteplotné tepelné čerpadlá

Uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach na zásobovanie procesným teplom v rozsahu od 100 °C do 150 °C je veľké. Absorpčno-kompresné tepelné čerpadlo (ACHP) so zeotropnou zmesou amoniak-voda ako pracovnou kvapalinou ponúka sľubný prístup s charakteristickými vlastnosťami, ako sú vysoké dosiahnuteľné teploty klesania v kombinácii s veľkými teplotnými zdvihmi a neizotermickými prenosmi tepla. Použitie skrutkových kompresorov so vstrekovaním kvapaliny môže viesť k bezolejovej prevádzke, čo sľubuje ďalšie výhody, ako sú nižšie náklady na inštaláciu a vyššia účinnosť. V tomto ohľade je dôležité poskytnúť kompresoru dostatočné vstrekovanie kvapaliny na chladenie a utesnenie na zvýšenie účinnosti kompresného procesu. 

Dosiahnuteľný tepelný výkon v systéme v absorpčnom chladení

Dosiahnuteľný tepelný výkon v systéme ACHP je založený na množstve latentného tepla uvoľneného pri absorpcii pary do kvapaliny. Preto je dôležité udržiavať kvalitu pary kompresorovej kvapaliny na vysokej úrovni a vyhýbať sa zaplaveniu kompresora príliš veľkým množstvom kvapaliny. Prietok vstrekovanej kvapaliny je potrebné optimalizovať. 

Použitie zmesi amoniak-voda

S rôznymi hmotnostnými podielmi amoniaku, v závislosti od prevádzkových podmienok systému ACHP, poskytuje ďalšiu požiadavku na komplexné výskumy. Na vyriešenie týchto výskumných otázok táto štúdia predstavuje a analyzuje simulačný model pre skrutkový kompresor so vstrekovaním kvapaliny, ktorý sa má použiť v systéme ACHP pri prevádzkových podmienkach pri vysokej teplote.

Charakteristiky rôznych kriviek 

Sú veľmi podobné s relatívne nízkym nárastom teploty vyskytujúcim sa počas prvej časti kompresnej fázy. V určitom bode sa gradient krivky zmení a teplota vystrelí nahor. Táto zmena nastáva v skoršom štádiu v prípadoch s vyšším hmotnostným podielom amoniaku v vstrekovacej kvapaline a vedie k vyššej výtlačnej teplote. Skúmanie vývoja kvality pár pomáha vysvetliť toto správanie. Kvalita pary klesá do dvojfázovej oblasti, keď je kvapalina vstrekovaná do riadiaceho objemu, ale okamžite opäť stúpa po zastavení vstrekovania a objem je ďalej stlačený. Keď sa obsah amoniaku znižuje, čas kompresie, v ktorom kvapalina zostáva v dvojfázovej oblasti, sa zvyšuje a je najvyšší pre čistú vodu. Teplotný gradient sa zvyšuje, keď tekutina dosiahne oblasť prehriatej pary. Okrem toho je teplota počas prvej časti kompresnej fázy najvyššia, keď sa vstrekuje čistá voda.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 2/2023