Duurzaamheid van de toekomstige koudemiddelen

Transcriptie

1 Door A. en C. Zilio Dipartimento di Fisica Tecnica, Università di Padova, Italy en J. S. Brown Department of Mechanical Engineering, The Catholic University of America, Washington DC, USA Vertaling door Harja Blok Doesburg December 2010 Duurzaamheid van de toekomstige koudemiddelen (Deel 1) De geschiedenis van koudemiddelen en de koelkringloop Vanwege de wereldwijde klimaatverandering zetten de publieke opinie, de politieke partijen en diverse ministeries de koude-industrie onder druk om de gehalogeneerde koolwaterstofkoudemiddelen (HFK s), die een (zeer) hoog GWP (= broeikaseffect) bezitten, te vervangen door bijvoorbeeld natuurlijke koudemiddelen met een aanzienlijk lagere GWP. Voorbeelden van wetgeving op dit gebied zijn bijvoorbeeld de F-gassenverordening van de EU en de fiscale HFK-heffingen die door sommige Scandinavische landen worden opgelegd. Dit drieluik gaat over de duurzaamheid van de toekomstige koudemiddelen. In het eerste deel komt eerst de geschiedenis van koudemiddelen en daarna de koelkringloop aan bod. Calm (2008) deelt de geschiedenis van de koudemiddelen sinds de ontwikkeling van de mechanische koude 150 jaar geleden in vier verschillende periodes. De eerste generatie omschrijft hij als het maar werkt. Het waren stoffen die al eerder bekend en overal verkrijgbaar waren, echter de meesten waren brandbaar en/of toxisch, sommige reageerden heftig en het gros had slechte thermodynamische eigenschappen. De tweede generatie omschrijft hij als veilig en bestendig. In deze periode werden de halogeenkoolwaterstoffen ontwikkeld om de beperkingen van de koudemiddelen van de eerste generatie te omzeilen. Het doel was vooral het vinden van goede koudemiddelen die stabiel waren, niet-toxisch en niet-brandbaar. De derde generatie identificeert hij als de ozonlaagbescherming. In een baanbrekend artikel toonden Molina en Rowland (1974) aan dat chloor, zoals dat aanwezig is in chloorfluorkoolstoffen (CFK s) en chloorfluorkoolwaterstofkoudemiddelen (HCFK s), optreedt als een katalysator in het afbraakproces van ozonmoleculen in de stratosfeer. Calm omschrijft eerste generatie koudemiddelen als als het maar werkt Toen dit besef doorbrak ondertekenden de regeringen van vele landen het Montreal Protocol (1987 met daarop volgende amendementen), waarin een tijdschema was opgesteld voor de eliminatie van productie en gebruik van CFK- en HCFK-koudemiddelen. De fabrikanten reageerden op deze crisis door de CFK s in eerste instantie te vervangen door HCFK s en HFK s. Zij zijn thans doende de HCFK s geheel te vervangen door HFK s. Tenslotte noemt Calm als vierde generatie die van de wereldwijde klimaatverandering. Sinds een jaar of twintig nemen de zorgen over de opwarming de wereldwijde klimaatverandering toe. Dit heeft geleid tot diverse rege- ringsacties, zoals het Kyoto-protocol, het opleggen van fiscale HFK-heffingen in sommige Scandinavische landen, en de F-gassenverordeningen van de EU. Kyoto-protocol Het Kyoto-protocol is een planmatig kader dat het zogeheten mandje met zes gassen bevat de basket of gases waarin ook de HFK-koudemiddelen een rol spelen en dat doelstellingen formuleert inzake de emissievermindering van broeikasgassen door de landen die ondertekend hebben. Zowel Noorwegen als Denemarken kennen nu HFK-heffingen en Zweden heeft een HFK-heffing voorgesteld die in 2010 in werking zou treden (Zweden, 2009). Deze heffingen zijn gebaseerd op de massa en de GWP van het koudemiddel. Bijvoorbeeld voor een kilogram R134a bedraagt de heffing omgerekend circa 20 euro voor Denemarken, 28 euro voor Zweden en 34 euro voor Noorwegen. De F-gassenverordeningen van de Europese Unie (Regulation EC No 842/2006 en Directive 2006/40/ EC) betreffende het gebruik van R134a in automobielairconditioning is reeds geïntroduceerd.

2 Deze regelingen bepalen in het bijzonder dat vanaf 1 januari 2011 nieuwe modellen en vanaf 1 januari 2017 nieuwe voertuigen, voorzien van airconditioning, niet meer gemaakt mogen worden met HFK-koudemiddelen die een GWP van meer dan 150 hebben. Van de synthetische koudemiddelen naderen de HCFK s nu snel het einde van hun legitiem bestaan en hoewel HFK s nu nog steeds gebruikt worden en ook in de nabije toekomst gebruikt zullen worden, maakt de toenemende druk op de industrie duidelijk dat ook deze koudemiddelen vervangen moeten worden door alternatieven met een laag GWP. Natuurlijke koudemiddelen zijn de laatste twintig jaar meer en meer het onderwerp van onderzoek en ontwikkeling, onder meer vanwege voornoemde redenen. Van de natuurlijke koudemiddelen worden alleen ammoniak en koolwaterstoffen op grote schaal gebruikt, waarbij in het algemeen ammoniak gebruikt wordt in de grotere systemen en koolwaterstoffen in de kleinere systemen. Ook wordt kooldioxide in vele toepassingen in toenemende mate aangewend. Tenslotte zijn bij de synthetische koudemiddelen onlangs de gefl uoreerde propeen-isomeren, zoals R-1234yf en R-1234ze(E), geïntroduceerd (en worden nu actief ontwikkeld) als potentiele koudemiddelen met een laag GWP. Deze ontwikkeling van gefl uoreerde propeen-isomeren is een rechtstreekse reactie op de F-gassenverordeningen. De koelkringloop Het doel van een warmtepompsysteem 1 is thermische energie van een lagetemperatuurbron overbrengen naar een hogetemperatuurafnemer tegen een minimum aan arbeid, met andere woorden, om de COP (Coefficient of Performance) van een gegeven koel- (of warmte-)hoeveelheid en van vastgestelde bron- en afvoertemperaturen te maximaliseren. Of nog anders gezegd: het doel kan ook omschreven worden in termen van entropie: de bedoeling van een warmtepompsysteem is om entropie van een lagetemperatuurbron over te brengen naar een hogetemperatuurafnemer tegen het veroorzaken van een zo gering mogelijke hoeveelheid entropie, of nog weer anders omschreven: het doel is het creëren van zo weinig mogelijk entropie bij een gegeven koel- (of warmte-)hoeveelheid en met vastgestelde bron- en afvoertemperatuur. Carnot-kringloop en ideale koelkringloop Exergieverliezen weergeven in een TS toestanddiagram voor een eenvoudige koelkringloop. De ideale kringloop om dit doel te bereiken (wanneer zowel de bron als de afnemer isotherm zijn) is de Carnot-koelkringloop 2, waar de arbeid wordt voorgesteld door het oppervlak a-b-c-d in de fi guren 1 en 2 en waar de koelcapaciteit gegeven wordt door oppervlakken 1-4-f-g in figuur 1 en 1-4 -f-g in fi guur 2. De Carnot-koelkringloop kan echter in de praktijk niet gerealiseerd worden door een machine. Daarom wordt de alom gebruikte referentiekringloop in de praktijk gebaseerd op de zogeheten ideale compressiekoelkringloop. De kringloop van figuur 1 bevat twee onomkeerbare delen: (1) isenthalpische expansie ( exp ) en (2) oververhitting van het persgas ( sup ) om een warmteafgifte onder constante druk in de condensor te bewerkstelligen. In de praktijk bestaan er meer onomkeerbare processen in een compressiekoelkringloop, waarvan de belangrijkste zijn: (3) nietisentropische adiabatische compressie, (4) niet-isobarische warmte-afgifte, en (5) niet-isobarische warmtetoevoer. Figuur 2 toont het compressiekoelkringloop zoals boven omschreven door middel van een gestippelde lijn. Hoewel dit niet getoond wordt in de figuren 1 en 2, zijn er twee andere gebruikelijke aanpassingen van de kringloop: oververhitting van het koudemiddel bij de verdamperuittrede en onderkoeling van het koudemiddel bij de condensoruittrede. Tenslotte treden er buiten de kringloop zelf belangrijke onomkeerbare processen op bij de warmteoverdracht naar en van de bron en de afnemer, vanwege de eindige temperatuurverschillen tussen het koudemiddel en de externe warmteoverdrachtmedia. Exergieverliezen Een andere manier om de onomkeerbare processen te beschouwen en te kwantifi ceren is een externe referentietemperatuur T 0 (bijvoorbeeld de omgevingstemperatuur) welke gebruikt kan worden om de exergieverliezen te berekenen. Bij de voorbeelden van de fi guren 1 en 2 dient de externe referentietemperatuur gekozen te worden als de temperatuur van het externe koelende medium (bijvoorbeeld lucht) van de condensor. Wanneer dit eenmaal gebeurd is, kunnen de specifi eke exergieverliezen berekend worden voor de vier basisprocessen van de compressiekoelkringloop. [voetnoot:] 1 Hier omvat de term warmtepompsysteem alle types van koel-, airconditioning- en warmtepompsystemen. 2 Hierna wordt de analyse beperkt tot het koelproces; de uitbreiding naar het warmtepompproces is er nochtans nauw mee verbonden. Verder worden hier alleen enkelvoudige stoffen of (bijna)-azeotropische mengsels beschouwd als koudemiddelen.

3 Zij worden gegeven door de volgende vergelijkingen en zijn weergeven door de gearceerde oppervlakken in figuur 1 (de ideale referentiekringloop) en figuur 2 (de werkelijke processen in de praktijk). Exergieverlies van de adiabatische compressie bij T L te bereiken, is het noodzakelijk compressie-arbeid te verrichten. In termen van exergie is het koelend effect: hetgeen overeenkomt met de minimale exergie (arbeid) die vereist is om het koelend effect te bereiken. Daarom kan de werkelijke compressie-arbeid berekend worden als de som van de minimale ideale arbeid plus de exergieverliezen, beschreven in de vergelijkingen 1-4 : een zeker koelproces de thermofysische geschiktheid van de diverse koudemiddelen te beoordelen. VERGELIJKING 1 Exergieverlies van de condensor VERGELIJKING 2 Exergieverlies van het adiabatische smoren (expansieventiel) VERGELIJKING 3 Exergieverlies van de verdamper VERGELIJKING 4 waar h en s respectievelijk de specifieke enthalpie en specifieke entropie van het koudemiddel zijn, en q 1 = h 1 h 4 het koelend effect. Het is belangrijk op te merken dat bij de ideale compressiekoelkringloop in figuur 1 het exergieverlies van de condensor ( cond ) vermindert tot het oververhittingsverlies ( sup ), voorgesteld door het oppervlak e-b-2, terwijl compressie en verdamping processen zonder verliezen zijn. Om het gewenste resultaat van warmteoverdracht van de lagetemperatuurbron VERGELIJKING 5 De termen van vergelijking (5) kunnen voorgesteld worden door de gearceerde oppervlakten in een temperatuur-entropie (T-s) toestandsdiagram zoals in figuur 2. De plaatsen van de toestandpunten zijn recht toe recht aan, behalve misschien die van toestandpunt a, dat is geplaatst langs de lijn van constante temperatuur T L, zodanig dat aan de voorwaarde s a s d = q L / T L is voldaan. De grootte van de exergieverliezen zoals eerder omschreven wordt bepaald door component- en systeemontwerp en door het koudemiddel. Bijvoorbeeld, het koudemiddelcircuit in de warmtewisselaars, het type en ontwerp van de condensor die toegepast wordt en de systeemconfiguratie hebben allemaal een bepaalde invloed op de exergieverliezen. Niettemin hangen de exergieverliezen (oververhitting en smoring), wanneer een ideale koelkringloop zoals in figuur 1 wordt beschouwd en de omgevingstemperatuur T 0 en de brontemperatuur T L vastliggen, geheel af van het bepaalde koudemiddel in kwestie. Deze verliezen kunnen daarom gebruikt worden om voor De molaire warmtecapaciteit van de vloeistof stuurt de vorm van het T-sdiagram aan Voordat de effecten van het koudemiddel als zodanig behandeld worden, is het zinvol op te merken dat de meest gebruikte methode voor het evalueren van de algemene thermodynamische eigenschappen van deze kringlopen is gebaseerd op de Eerste Wet van de Thermodynamica, namelijk het vergelijken van de Coefficient of Performance (COP) en de volumetrische koude- (warmte-)capaciteit [VKC. (VVC]. Een van de beperkingen van deze benadering is dat de COP een functie is van de werkomstandigheden (De temperaturen van de hoge en de lage drukzijde). Bijvoorbeeld: is een COP van 5 beter dan een COP van 10? Het bondige antwoord is: Dat hangt er vanaf. Een betere benadering is daarom de systeemprestaties te vergelijken met de fundamentele beperkingen volgens de Carnot-kringloop, dat is: de benadering via de Tweede wet van de Thermodynamica: VERGELIJKING 6

4 In termen van exergy is dit ook: VERGELIJKING 6A dat is de verhouding tussen het verlangde energetische koeleffect en de daarbij behorende noodzakelijke energietoevoer.wordt vaak gelijkgesteld aan de rationele (meetbare) efficiëntie of de Exergetische efficiëntie van het koelproces. Vergelijking (5) kan als volgt herschreven worden: VERGELIJKING 5 waar gelijkgesteld kan worden aan het relatieve verlies : het stelt de bijdrage voor van de onomkeerbaarheid van elke component (compressor, condensor, expansieventiel en verdamper) aan de relatieve toename van de compressie-arbeid boven de ideale minimumwaarde. Laten we terugkeren naar de uiteenzetting over de effecten van het koudemiddel op de COP en VCC (de volumetrische koelcapaciteit). Een aantal auteurs (bv. Didion, 1999,, 2002) heeft aangetoond dat de molaire warmtecapaciteit van het vloeibare koudemiddel en de kritische temperatuur, plus de temperatuur van de toepassing in relatie tot de kritische temperatuur, de omvang van de relatieve exergieverliezen (en daaruit voortvloeiend de COP en ) in de ideale dampcompressiekringloop bepaalt. Algemeen gezegd stuurt de molaire warmtecapaciteit van de vloeistof de vorm van het T-s-diagram aan. Als die warmtecapaciteit toeneemt neemt de helling van de verzadigdedamplijn toe en wordt tenslotte positief (schuin); om deze reden zijn hoewel dit hier niet in detail besproken wordt moleculen met een gematigde molaire warmtecapaciteit gewenst. Ook algemeen gezegd zal, als de kritische temperatuur van het koudemiddel toeneemt, de COP verbeteren en de VCC afnemen. Tenslotte: voor een gegeven koudemiddel zal de maximum-cop dan plaatsvinden wanneer de gereduceerde verdampertemperatuur 0,8 of daaromtrent bedraagt van de typische temperatuurtoename. De volgende subsectie gaat beknopt in op enige andere karakteristieken die een gewenst Het perfecte of ideale koudemiddel bestaat niet koudemiddel moet bezitten, in aanvulling op bovengenoemde thermodynamische eigenschappen. Waarop letten? Er bestaat niet zoiets van het perfecte of ideale koudemiddel. Maar wanneer een koudemiddel gekozen moet worden voor een bepaalde toepassing zijn alle eigenschappen en karakteristieken zoals deze vermeld staan in Tabel 1 (overgenomen van Didion en Brown, 2001, hoewel enigszins aangepast) wel belangrijk. Tegenwoordig vormen echter ook de milieukarakteristieken, in het bijzonder de ozonlaagaantastende eigenschappen (ODP), de verblijfstijd in de atmosfeer, het broeikasfeffect (GWP), het Total Equivalent Warming Impact (TEWI) en de invloed op het klimaat tijdens de levenscyclus (Life Cycle Climate Performance LCCP) mogelijk een belangrijk criterium bij het kiezen van een koudemiddel voor een bepaalde toepassing, zolang de thermofysische eigenschappen en de veiligheid ook geschikt zijn voor dat doel. Tabel 1 Eigenschappen van koudemiddelen: Natuurlijke koudemiddelen Stabiel en inert Gezondheid en veiligheid Niet giftig Niet brandbaar Milieu Geen ODP Minimale GWP Minimale TEWI en LCCP Korte verblijfstijden in de atmosfeer. Thermofysische eigenschappen Kritisch punt en kookpunttemperatuur, geschikt voor de toepassing: Gematigde molaire warmtecapaciteit van de vloeistoffase Lage viscositeit in de vloeistoffase Hoge thermische geleiding in de vloeistoffase Diversen Oplosbaar met smeermiddelen Hoge diëlektrische sterkte in de dampfase Laag vriespunt Compatibel met de gangbare constructiematerialen Eenvoudige lekdetectie Lage kostprijs Makkelijk te verkrijgen

5 B+B VAKMEDIANET Nomenclatuur Oppervlakte van de cilinderdoorsnede, m 2 klepdoorstroomopening, m 2 Coeffi cient of Performance specifi eke warmte bij constante druk, kj kg 1 K 1 doorsnede van de pijp, buis, mm specifi eke exergie, kj kg 1 Global Warming Potential voor een 100-jaarstijdhorizon met betrekking tot CO 2 specifi eke enthalpie, kj kg 1 klepdoorstromingscoëffi ciënt index voor compressieverliezen (zie vergelijkingen 8 en 11) Life Cycle Climate Performance (Invloed op het klimaat tijdens de levenscyclus) Ozon Depletion Potential, ozonlaagaantastend vermogen met betrekking tot R-11 druk, kpa Penalty Factor, malusfactor, K 2 Pressure Ratio, drukverhouding Specifi eke warmteoverdracht, kj kg 1 temperatuur, C of K Total Temperature Penalization, totale temperatuurmalus, Total Equivalent Warming Impact snelheid, m s 1 volume, m 3 slagvolume, m 3 verplaatsingsvolume tussen het dode punt en het punt van aanzuiging, m 3 Volumetric Cool Capacity, volumetrische koelcapaciteit, kj m 3 Volumetric Heating Capacity, volumetrische warmtecapaciteit, kj m 3 specifi eke arbeid, kj kg 1 gehalte Griekse symbolen warmteoverdrachtscoëffi ciënt, W m 2 K 1 T temperatuurstijging in de compressor, K COP / COP C thermisch geleidingsvermogen, W m 1 K 1 µ dynamische viscositeit, kg m 1 s 1 specifi ek exergieverlies, kj kg 1 soortelijke massa, kg m 3 relatief verlies Inferieure indices (subscript indices) Carnot-cyclus compressor condensor kritisch uitstoot persgas compressor verdamper expansie orgaan isentropisch lading, belasting referentie (omgevings-) optimum zuiger verzadiging zuigzijde compressor Netwerken begint bij een professioneel platform informatieplatforms voor professionals 18