Ahogy azt pár napja a Forbes is megírta, 2019-ben jegyezték az északi félteke legmelegebb nyarát, [1] vagy emlékezzünk vissza a június 27-ei hírekben szereplő rekordra, ekkor Magyarországon is minden eddiginél nagyobb rendszerterhelési csúcsot mértek. A MAVIR általános vezérigazgató-helyettese kijelentette: „az irodai és otthoni klímaberendezések tömeges használata, illetve a hűtőszekrények, hűtőberendezések, hűtőházak nagyobb igénybevétele jelentősen növeli a fogyasztást”.

Abszorpciós hűtés esetén, megújuló forrásokból származó hő felhasználásával primerenergia megtakarítás érhető el, illetve a jelentősen csökkenthető a nyári hónapokban a villamosenergia rendszer csúcsidei terhelése.

A téli és nyári rendszerterhelési csúcsok alakulása a MAVIR adatai alapján [2].

A hűtési célokra felhasznált villamos energia valóban a teljes villamosenergia fogyasztás szignifikáns részeként jelentkezik. Az International Energy Agency tavaly közölt adatai alapján 2016-ban a világszinten hűtésre felhasznált villamosenergia a teljes villamosenergia fogyasztás majdnem 10 százalékát tette ki, amely a világ primerenergia igényének 3 százaléka, ráadásul ezek a számok folyamatosan növekvő tendenciát mutatnak. [3]

A világszinten épülethűtésre fordított energiafogyasztás és ennek részaránya a teljes végső energia felhasználáshoz képest. [3]

Az abszorpciós hűtőgépeket a 20. század elején széleskörűen alkalmazták, azonban a kompresszorok és villamos motorok olcsóbbá és megbízhatóbbá válásával, illetve a hűtőközegként alkalmazható klórozott-fluorozott szénhidrogén-származékok megjelenésével a technológia ma már kizárólag speciális esetekben kerül alkalmazásra [4].

A 21. századra ismét megnőtt az érdeklődés az abszorpciós technológia iránt. Mivel az abszorpciós hűtőgépek működése, szemben a villamosenergiát hasznosító, gőzkompressziós körfolyamatokat megvalósító berendezésekkel, hőbevitelen alapszik, ezért adott a lehetőség szoláris- és geotermikus energia, illetve hulladékhő hasznosítására a hűtési rendszerekben [5]. 

Mesterséges hűtés

A mesterséges hűtés célja, miszerint egy közegtől (hűtött térből) hőelvonás történjen úgy, hogy annak hőmérséklete a környezeti hőmérséklet alá csökkenjen, illetve az elvont hő egy melegebb közeg (a környezet) felé leadásra kerüljön. A termodinamika 2. főtétele alapján ez spontán módon nem valósulhat meg, munkabefektetésre van szükség.

A hűtőberendezésekben olyan munkaközegek kerülnek alkalmazásra, melyek a hőelvonás fázisában állandó nyomáson elpárolognak, míg a környezet felé történő hőleadáskor szintén állandó nyomáson kondenzálódnak, így mindkét folyamat izotermikus módon megy végbe. A hűtőkörfolyamatok munkaközegei, a hűtőközegek, úgy kerülnek megválasztásra, hogy az elpárolgási hőmérsékletük valamely nyomáson a kívánt hűtött közeg hőmérséklet alatt legyen, ezáltal lehetségessé váljon a hűtött közegtől történő hőelvonás, míg a kondenzációs hőmérsékletük egy másik, magasabb nyomáson a berendezést hűtő közeg (környezeti levegő, hűtővíz) hőmérsékleténél magasabb legyen, így megtörténhet a hőleadás.

A gőzkompressziós hűtőkörfolyamatokban a hűtőközeg nyomását az elpárolgási nyomásról a kondenzációs nyomásra kompresszorok emelik meg (ábrán: 1->2), mely kompresszorok meghajtásáról a gyakorlatban szinte kizárólag villanymotorok gondoskodnak. A hűtőközeg kondenzációját (2->3) követően az elpárolgási nyomásra történő expanzió (3->4) hasznos munkavégzés nélkül, fojtószelepen (más néven expanziós vagy adagolószelepen) valósul meg. A hőelvonás az elpárologtatóban történik (4->1).

Ideális, veszteségektől mentes kompresszoros hűtőkörfolyamatot (összehasonlító körfolyamatot) megvalósító berendezés vázlata és a körfolyamat hőmérséklet-entrópia diagramban

Az abszorpciós hűtőberendezések működése

Az abszorpciós hűtőberendezések működése közben, mint ahogy azt az elnevezés is sugallja, a hűtőközeg abszorbeálódik (elnyelődik) egy másik közegen, melyet közvetítőközegnek nevezünk. Ennek megfelelően a berendezések hűtőközeg szerinti osztályozásánál mindig anyagpárokat kell figyelembe venni, mivel a gép bizonyos elemein kétkomponensű közeg áramlik keresztül. A leggyakrabban alkalmazott hűtőközeg-közvetítőközeg párok az NH3-H2O (ahol az ammónia a hűtőközeg) illetve a H2O-LiBr (ahol H2O a hűtőközeg és lítium-bromid a közvetítőközeg).

A hűtőberendezést alkotó elemek a kompresszor kivételével megegyeznek a kompresszoros hűtőkörfolyamatot megvalósító berendezések elemeivel és ezen elemeken szintén a hűtőközeg (ammónia, H2O stb.) áramlik keresztül. Ahhoz, hogy a hűtőközeg az elpárolgási nyomásról a kondenzációs nyomásra, ezzel a megfelelő elpárolgási és kondenzációs hőmérsékletre kerüljön, a gőzt szállító, mechanikai munka bevitelén alapuló kompresszor helyett egy több komponensből álló berendezéscsoport kerül alkalmazásra.

Abszorpciós hűtőkörfolyamatot megvalósító berendezés vázlata. Az ábrán szereplő berendezés hűtőközege H2O, transzportközege lítium-bromid

Az elpárologtatót elhagyó hűtőközeg először az abszorberre (oldó) kerül, ahol reakcióba lép a transzportközeggel. Ez az elnyelődés exoterm reakció, hőfelszabadulással jár. Mivel az abszorbeálódott hűtőközeg mennyisége a közegek hőmérsékletével fordítottan arányos, ezért az abszorber hűtése szükséges. A folyékony oldatot egy szivattyú szállítja a generátorra, ahol megtörténik a hőbevitel, melynek hatására az oldat egy része elpárolog. A generátort elhagyó, tömény oldat valamilyen szeparációs berendezésre (pl. rektifikáló oszlop) kerül, amelyen elválasztásra kerül hűtőközeg és a hűtőközegben szegény, kétkomponensű oldat. A hűtőközeg a kondenzátorra kerül, ahol megtörténik a hőleadás, míg a hűtőközegben szegény oldat egy expanziós szelepen keresztül kerül visszavezetésre az abszorberre. Mivel a generátorban található közeg hőmérséklete magasabb, mint az abszorbert elhagyó közeg hőmérséklete, ezért a visszavezetés során a hűtőközegben szegény oldat keresztülhaladhat egy hővisszanyerő hőcserélőn, melyen áthaladva átadja hőtartalmát az abszorbert elhagyó tömény oldatnak, előmelegítve azt.

Ebben a rendszerben a villamosenergiát legnagyobb mértékben hasznosító berendezés a tömény oldatot a generátorba szállító szivattyú. Mivel a szivattyú folyadékot szállít, amelynek fajtérfogata a gázok/gőzök fajtérfogatánál nagyságrendileg nagyobb, ezért a berendezés üzemeltetéséhez szükséges bevitt teljesítmény fajlagosan lényegesen alacsonyabb, mint a gőz állapotú hűtőközeget szállító kompresszorok esetében - ebből kifolyólag a szivattyúzási munkát a hatékonyság értékelésekor gyakran el is hanyagolják [6].

Mikor éri meg az abszorpciós hűtőgép alkalmazása?

Az abszorpciós hűtőberendezések alkalmazása akkor térül meg leginkább, amennyiben olyan területen kerülnek alkalmazásra, ahol egész éves hűtési igény áll fenn: ilyenek a nagyobb irodaépületek, kórházak, szállodák, ipari alkalmazások közül a hűtött raktárak, adatközpontok, illetve gyártósorok specifikus folyamatai melyek nem igényelnek kifejezetten alacsony hőmérsékletű hűtött közeget, ellenben nagy hűtőteljesítmény igényűek, így megfelelő lehet az abszorpciós hűtőberendezés alkalmazása.

Az abszorpciós hűtőgépeknek számos előnyük [7] van a kompresszoros berendezésekkel szemben:

- nincsenek magas nyomás alatt lévő alkatrészek,

- alacsony villamos energiafogyasztás, nincs szükség villamos hálózatfejlesztésre,

- alacsony zajszint és vibráció,

- alacsony üzemeltetési költség hulladékhő esetén,

- környezetbarát (nincs üvegházhatást okozó hűtőközeg).

Az abszorpciós hűtőberendezések legnagyobb hátránya – az üzemi paraméterek bizonyos esetekben kevésbé flexibilisen megválaszthatóságán felül – a kompresszoros folyadékhűtőkénél gyakorta magasabb bekerülési költségük – a különbség azonban az abszorpciós gépek sorozatgyártásával, elterjedésével egyre csökken, így a nagyobb projektek esetében érdemes lehet megtérülési vizsgálatokat készíteni a kompresszoros hűtőgépek kiváltására. Egy 2018-ban megjelent esettanulmány [7] alapján akár 1 MW hűtőteljesítmény alatti nagyságrend esetén rövid idő (a cikkben tárgyalt esetben ez 4 év, egyszerű megtérüléssel számolva) megtérülhet a többletberuházás a villamos energiafogyasztás különbségéből adódóan abban az esetben, ha elérhető megfelelő minőségű (hőmérsékletű) hulladékhő.

Az abszorpciós hűtőberendezések egy speciális felhasználási módja a trigenerációs erőművekben történő alkalmazás. A trigenerációval (angolul Combined Cooling, Heat and Power, CCHP) lehetőség nyílik a kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés során előállított hő nyári hasznosítására, ezzel egy „harmadik termék” is értékesítésre kerül. Ilyen trigenerációs blokk több is létesült hazánkban, például a nyíregyházi LEGO gyárban és a salgótarjáni Szent Lázár Megyei Kórházban [8].

Ha tetszett a cikkünk, és szeretnétek értesülni a legújabb bejegyzéseinkről, kövessetek minket facebookon!

Értékelés

Források:

[1] Forbes, „Say Goodbye To The Hottest Summer On Record In The Northern Hemisphere” 2019.09.23. https://www.forbes.com

[2] MAVIR, „Havi és a téli-nyári bruttó csúcsidei rendszerterhelések: Csúcsidei adatok 2001-2019 “ https://www.mavir.hu

[3] International Energy Agency, „The Future of Cooling - Opportunities for energy-efficient air conditioning,” 2018.

[4] Felix Ziegler, „State of the art in sorption heat pumping and cooling technologies,” International Journal of Refrigeration, 2002.

[5] Brice Le Lostec, Nicolas Galanis, Jocelyn Millette, „Simulation of an ammonia-water absorption chiller,” Renewable Energy journal, 2013.

[6] Yunus A. Cengel, Michael A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 5. kiadás, McGraw-Hill, 2006.

[7] Varga Péter, „Hulladékhôhasznosítása hûtésre abszorpciós folyadékhûtôvel,” VGF Szaklap, p. 110, 2018.04. 

[8] CHP, CCHP referenciák, Kalor-Center Kft. http://kalorcenter.hu/chp-cchp/