BE1018356A7

BE1018356A7 - Koelen met hoog rendement.

Info

Publication number: BE1018356A7
Application number: BE2008/0663A
Authority: BE
Original assignee: Ebo Ivan
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-09-07

Abstract

Het "koelen met hoog rendement" berust op het principe van de absorptiekoelmachine, aangevuld met een koelcompressorgroep en warmtewisselaars. Deze vervangen de klassieke tussenstadia (zie fig. 1). De absorber, waar NH3 in verdund NH4OH wordt opgelost, bestaat uit twee delen de vernevelaar en de centrifugaalcompressor. De koude geconcentreerde NH4OH uit de absorber wordt opgewarmd in W1 door de warme verdunde oplossing uit de separator(en) (oplossing b). Bij de aircomachine gebeurt er nog een opwarming in W2. Tenslotte stroomt de oplossing a door condensor K1 en ontvangt warmte tot de eindtemperatuur. De oplossing b uit W1 wordt verder gekoeld in de verdamper van K1 en komt in het reservoir (R) en van daaruit in de absorber. De oplossing a wordt in de separator gepulveriseerd tegen een plaat. De vrijgekomen NH3 komtvia een smoorventiel in de verdamper. Bij de aircokoelmachine wordt warmte ontrokken aan een circulerende vloeistof, die op haar beurt warmte opneemt uit de omgeving in W3. Bij de koel- en vriesinstallatie wordt door de verdamper een luchtstroom opgewekt door middel van (een) ventilator(en)

Description

KOELEN MET HOOG RENDEMENT

1. BESCHRIJVING

De uitvinding zal hoofdzakelijk aangewend worden als airco-, koel- en vriesinstallatie. Deze bestaan momenteel voornamelijk uit een compressorkringloop. Het koelmiddel wordt hierbij na compressie gecondenseerd en gesmoord en gaat vervolgens verdampen. De zogenaamde verdampingswarmte wordt via een warmtewisselaar onttrokken aan de omgeving zodat een daling van de temperatuur ontstaat.

Bij de uitvinding wordt gebruik gemaakt van de goede oplosbaarheid van ammoniak in water of ammoniumhydroxide (NH4OH). Deze oplosbaarheid vermindert bij stijgende temperatuur. Dit blijkt uit onderstaande tabel, waarin wordt aangegeven hoeveel kg NH3 wordt opgelost in 1 liter water bij de aangegeven temperaturen:

Bij 0°C wordt 0,89 kg NH3 opgelost.

Bij 10°C wordt 0,68 kg NH3 opgelost.

Bij 20°C wordt 0,53 kg NH3 opgelost.

Bij 30°C wordt 0,41 kg NH3 opgelost.

Bij 40°C wordt 0,31 kg NH3 opgelost.

Deze eigenschap wordt aangewend in de zogenaamde absorptiekoelmachine. Hier wordt NH3 in de absorber opgèlost in verdund NH4OH bij lage temperatuur en na tussenstadia, met onder andere afkoeling en verwarming, terug vrijgemaakt in de generator bij hogere temperatuur. Na condensatie en smoring stroomt de NH3 in de verdamper, waar de koudelevering plaats heeft. Het nadeel van deze installatie is het zeer lage rendement.

In de uitvinding wordt gebruik gemaakt van een combinatie van de absorptie- en compressorkoelmachine.

In de bespreking die volgt zullen we de uitdrukking generator vervangen door separator. Verder worden het aircotoestel en de toepassing voor koel- en vriesinstallaties afzonderlijk besproken.

1. WERKINGSPRINCIPE

1) Aircotoestel (zie fig. 1)

In de absorber (A) worden NH3 en verdund NH4OH samengebracht. De NH3 gaat oplossen in het verdund NH4OH waardoor er geconcentreerd NH4OH ontstaat. Dit wordt weggepompt door PI doorheen warmtewisselaar W1, waar het warmte opneemt uit de oplossing b afkomstig van de separator (S). Vervolgens stroomt de oplossing door warmtewisselaar W2, waar warmte wordt opgenomen uit de omgeving of atmosfeer. Daarna wordt warmte opgenomen in condensor G2 van koelgroep K2, om tenslotte in één of meerdere separatoren d.m.v. een verstuiver tegen een plaat te worden gepulveriseerd. Door de verhoogde temperatuur wordt NH3 afgescheiden uit de oplossing.

De NH3 wordt via smoorventiel VI en afsluiter Al in de verdamper (Val) gebracht. Door de verdamping van de NH3 wordt er warmte onttrokken aan een vloeistof die via pomp P3 doorheen warmtewisselaar W3 stroomt en met behulp van (een) ventilatoren) een koude luchtstroom doet ontstaan. Vervolgens wordt de NHs in de absorber gebracht.

De verdunde oplossing uit de separator wordt door pomp P2 doorheen warmtewisselaar W1 en verdamper Va2 afgekoeld en via reservoir R in de absorber gebracht, zodat de cyclus rond is.

2) Koel- en vriestoepassïng (zie fig. 2)

Zoals men kan merken, worden hier warmtewisselaar W3 en pomp P3, evenals warmte wisselaar W2 weggelaten. Dit betekent dat oplossing a die uit warmtewisselaar W1 komt in condensator C2 van koelgroep K2 opgewarmd zal moeten wórden.

2. BEREKENING VAN HET AIRCOTOESTEL

1) Bepaling van de temperaturen

We stellen de verdampingstemperatuur in Val= -20°C bij een druk van 2 bar en de temperatuur van de oplossing NH4OH in de separator = +35°C (zie fig. 3). We zien dat bij deze temperatuur ongeveer 0,35kg NH3 opgelost zal blijven. Dit betekent dat er 1,89-1,35= 0,54kg NH3 zal vrijkomen uit de oplossing.

1.1. Temperaturen na warmtewisselaar W1

Zoals verder wordt aangetoond, is de temperatuur van de oplossing in de absoiber = Ó°C of 273°K. Via pomp PI stroomt er 1,89 kg NH4OH door W1 bij 0°C en via pomp P2 stroomt er 1,89-0,54=1,35kg NH4OH door W1 bij 35°C of 308°K. Er gebeurt een uitwisseling van warmte. De theoretische eindtemperatuur wordt:

Voor alle duidelijkheid noemen we de oplossing uit de absorber oplossing a en de oplossing uit de separator oplossing b. We veronderstellen dat tussen a en b een temperatuurverschil van 4°C zal zijn bij het verlaten van Wl. Dus oplossing a wordt 15-2=13°C en oplossing b wordt 15+2=17°C.

1.2. Temperatuur na W2 (oplossing al

We veronderstellen dat de omgevingstemperatuur minimaal 22°C is en dat er een temperatuurverschil is van 4°C bij in- en uitgang van de warmtewisselaar, dan wordt de temperatuur 22-4= 18°C.

De opgenomen warmte door oplossing a wordt Q-C.G(T2-T1). We nemen aan dat de soortelijke warmte van de oplossing NH4OH gelijk is aan deze van water, of Q=4,19x1,89(18-13)= 40U. Dit is voor 0,54kg NH3. Voor 1 kg NH3 wordt dit

1.3. Temperatuur na condensor C2 (oplossing a)

Zoals vermeld is de temperatuur van de oplossing in de separator 35°C. De temperatuur in de condensor zal moeten stijgen van 18°C naar 35°. De opgenomen warmte wordt:

1.4. Temperatuurverloop van oplossing b

Zoals eerder vermeld is de oplosbaarheid maximaal bij een temperatuur van 0°C of 273°K. Om deze temperatuur te bereiken in de absorber moet de som van oplossingen a & b gelijk zijn aan 0°C. Zoals gezien ontstaat er uit l,89kg oplossing 1,35kg NH4OH en 0,54kg NH3. De temperatuur na verdamping = 20°C of253°K

of

1.5 Temperatuurverloop in verdamper V2

De temperatuur in verdamper V2 moet dalen van 17°C naar 8°C. De onttrokken warmte aan oplossing b wordt Q=4,19x1,35(17-8)= 51kJ.

Per kg

2) Bepalen van de compressorarbeid in K2

Zoals bepaald moet oplossing b een temperatuur hebben van 8°C. We stellen de verdampingstemperatuur TV2= 8-4= 4°C. Verder moet de temperatuur van oplossing a = 35°C. We stellen de condensatietemperatuur C2= 35+4= 39°C of 40°C. We nemen als koelgas NH3. In tabel 3 zien we de overeenstemmende drukken en volumes per kg NH3j

De compressiearbeid per kg NH3 wordt

De condensatiewarmte = 1120kJ De verdampingswarmte = 1050U

Zoals bepaald in 3 is de opgenomen warmte door oplossing a in de condensator C2 250U. De benodigde compressiearbeid wordt dan

De arbeid per kJ

verdampingswarmte wordt

>f4kgmperkJ.

3) Compressorarbeid bij actueel aangewende airco-instaüaties

Om een betere vergelijking te bekomen gebruiken we hier eveneens NH3 als koelgas.

De condensatiewarmte =1180kJ (fig. 2)

De verdampingswarmte = 1200U

De arbeid per kJ verdampingswarmte wordt

4) Vergelijking tussen beide installaties

Er zal

keer meer arbeid nodig zijn bij de actueel aangewende airco’s. Dit betekent een besparing van ongeveer 70% aangewende arbeid.

3. BEREKENING VAN EEN GEWONE KOELCEL

1) Bepaling van de compressorarbeid

Gegeven: TV=-25°C Tc=32°C Pv=l,5b Pc=13b Vv=0,7m3/kg NH3 als koelgas

Condensatiewarmte = 1180U Verdampingswarmte = lOOOkJ

De arbeid per kJ verdampingswarmte wordt 2) Werkingsprincipe van de absorptiecompressor installatie (zie fig. 3)

Zoals men kan merken, worden hier de W3 en P3 evenals W2 weggelaten. Dit betekent dat oplossing a die uit W1 komt met een temperatuur van 12°C in condensator C2 van K2 opgewarmd zal moeten worden tot 35°C. De opgenomen warmte door oplossing a wordt Q=4,19x1,89(35-12)= 182U (0,54kg NH3). Voor 1 kg NH3 wordt dit

We hebben gezien dat de compressiearbeid in KI = 18667kgm met een condensatiewarmte van 1120kJ. Daaruit is

De arbeid per kJ

verdampingswarmte wordt λ

3) Vergelijking tussen beide installaties

Er zal

keer meer arbeid nodig zijn bij de actueel gebruikte installaties. Dit betekent een besparing van ongeveer 80% op de aangewende arbeid.

4. BEREKENING VAN EEN VRIESCEL

1) Bepaling van de contpressorarbeid

Geeeven: TV=-40°C T„=32°C Pv=0,75b Pc^Hb Vv=l,25m3/kg NH3 als koelgas

=38981(17,33^-1)= 38981x0,98 =38201kgm

Condensatiewarmte =1180kJ Verdampingswarmte = lOOOkJ

De arbeid per kJ verdampingswarmte wordt 2) Opgenomen arbeid

Het werkingsprincipe is identiek zoals eerder beschreven. De druk in de verdamper is bij -40°C gelijk aan 0,75b. De arbeid per kJ verdampingswarmte is hier dus ook 5,617kgm.

3) Vergelijking tussen beide installaties

Er zal

keer meer arbeid nodig zijn bij de actueel gebruikte installaties. Dit betekent een besparing van ongeveer 85% op de aangewende arbeid.

5. OPMERKING

In het reservoir (R) is de verdamper van een compressorkoelgroep aangebracht, dit om de verdunde oplossing b na langere stilstand op de juiste temperatuur te houden.

Claims

2. CONCLUSIES Zoals bij de klassieke absorptiekoelmachine steunt de uitvinding eveneens op de oplosbaarheid van NH3 in water of verdund NH4OH. Hier bestaat de absorber uit twee delen. In het eerste deel wordt het NH4OH onder druk verstoven of verneveld in de NH3 afkomstig uit de verdamper. Dit geschiedt in tegengestelde richting van de NH3 stroming. Het tweede deel bestaat uit een centrifugaalcompressor met meerdere trappen. Door de werveling, de centrifiigale werking en de druktoename zal de NH3 oplossen, zodat geconcentreerd NH4OH ontstaat bij lage temperatuur. We noemen dit oplossing a. Deze stroomt door een warmtewisselaar waar warmte wordt opgenomen uit oplossing b, afkomstig van de separator (S). Deze bestaat uit een vat waarin de warme geconcentreerde oplossing in straalvorm tegen een plaat wordt gepulveriseerd, waardoor NH3 wordt afgescheiden. Dit stroomt via en smoorventiel in de verdamper, terwijl het verdunde NH4OH omlaag stroomt in het vat en daar weggepompt wordt naar de hierboven vermelde warmtewisselaar. Naargelang de toepassing zijn de stadia tussen de absorber en de separator(en) verschillend. We onderscheiden:

1. AIRCOKOELMA CHINE Na vóomoemde warmtewisselaar kan, om het rendement te verbeteren, de oplossing a warmte opnemen uit de omgeving of atmosfeer. Vervolgens wordt er warmte opgenomen in de condensor van een compressorkoelgroep tot de eindtemperatuur bereikt is en de oplossing in de separator(en) komt. Zoals gezien verdampt de NH3 in een warmtewisselaar waar warmte wordt opgenomen uit een circulerende vloeistof. Deze vloeistof neemt op haar beurt warmte op in een warmtewisselaar waar lucht doorheen wordt geblazen. De temperatuur van de luchtstroom kan geregeld worden door de snelheid van de vloeistof te laten variëren via het toerental van de circulatiepomp. Zoals gezien stroomt het verdunde NH4OH of oplossing b door de warmtewisselaar waar warmte wordt afgegeven aan oplossing a. Daarna stroomt de oplossing b door de verdamper van vermelde koelgroep zodat de temperatuur verder daalt en uitmondt in de vemevelaar van de absorber.

2. KOEL- EN VRIESMACHINE De werking en constructie zijn dezelfde als hiervoor vermeld. Er wordt echter geen warmte opgenomen uit de omgeving (temperatuur te laag). De verdamper wordt hier uitgevoerd als een warmtewisselaar waar een luchtstroom doorheen kan worden opgewekt. De keuze van de verdampingstemperatuur bepaalt de toepassing: ofwel koeling, ofwel vriesinstallatie. (