Hőtermelés, hűtés

Hőfelhasználás I. A világ hőfelhasználása 2008-ban 116 EJ/év (végenergia 33,5 %-a) volt. Magyarország hőfelhasználása 2008-ban (2006. évi távhővel (53 PJ/év)) – 366 PJ/év (végenergia 50 %-a) volt, azaz lényegesen nagyobb a világátlagnál. Ennek oka az ország mérsékelt égövi elhelyezkedése (féléves fűtési szezon) valamint az épületek nem megfelelő szigetelése, a fejlett országoknál nagyobb hőfelhasználása.

Hőfelhasználás II. A hő fosszilis és (fisszilis) tüzelőanyagokból, több megújuló energiaforrásból (nap, geotermikus, biomassza és hulladék) előállítható a különböző hőforrásokban (fűtőberendezések, fűtőművek, fűtőerőművek, továbbá hulladékhő-hasznosítással is). A hőforrás hőjét átadja a különböző hőhordozónak, s a hőhordozó biztosítja a fogyasztók hőteljesítményét. A hőigény ipari-technológiai és lakossági-kommunális hőre osztható, melyek részaránya a világon közel 50-50 %.

1. Hőtermelés

1.1. Ipari technológiai hő Az ipari-technológia hő – a hőhordozó hőmérséklete alapján – három csoportra osztható: nagy hőmérsékletű füstgáz (1100-1500 oC) hőhordozóval (pl. kemence, olvasztó) vagy villamos energiával (500-800 oC, pl. az acél edzése); közepes hőmérsékletű: (100-350 oC) gőz-kondenzátum, nagyobb nyomású (folyadékfázisú) víz vagy termoolaj hőhordozóval; kis hőmérsékletű: (<100 oC) levegő vagy kisebb nyomású (folyadékfázisú) víz hőhordozóval.

1.1. Ipari technológiai hő A füstgáz a tüzelőanyag elégetésével (szén, szénhidrogén (szénhidrát) komponensek oxidációjával) keletkezik, s a nagy hőmérsékletű füstgáz melegíti fel a szükséges hőmérsékletre pl. a kemencét, miközben lehűl. A kemencéből kilépő füstgáz hőmérséklete még elég magas a további lehűtéséhez (pl. kohógáz lehűtése hőhasznosító gőzkazánban).

1.1. Ipari technológiai hő A hasznosuló tüzelőhővel a gőzkazánban túlhevített (vagy telített) gőz hőhordozó előállítása, fogyasztó/k/hoz való eljuttatása gőzvezetéken keresztül, gőz kondenzációja a fogyasztóknál, valamint a kondenzátum visszaszállítása kondenzátum-vezetéken keresztül a gőzkazánba. A hőhordozó folyadékfázisú közeg (nagyobb nyomású forróvíz (teo=130/150 oC) vagy termoolaj (kis (<10 bar) nyomáson, 250-350 oC-on folyadékfázisban, c≈2,1 kJ/kgK fajhővel).

Ipari-technológiai hőellátás

Hőmérleg Tüzelőberendezés: Gőzkazán: Vízkazán:

1.2. Lakossági-kommunális hő A lakossági-kommunális hő – a hő felhasználása alapján – három csoportra osztható: helyiségfűtés (egyedi, központi, távolsági); használati melegvíz (egyedi, központi, távolsági); főzés (egyedi).

1.2. Lakossági-kommunális hő Az egyedi fűtés több változata alakult ki: (fatűzhely), szén- és olajkályha, gázkonvektor, villanykályha, központi fűtés egyedi kazánnal, a helyiségekben radiátorokkal; míg az egyedi használati melegvizet hazánkban gáz és villany boiler valamint napkollektor állíthatja elő.

Egyedi és központi fűtés és használati melegvíz ellátás

Fűtési módok Központi fűtésnél a kazán melegíti fel a melegvizet (teo<90 oC), majd a keringtetett melegvíz a lakás helyiségeinek radiátoraiban lehűl, miközben felmelegíti a helyiség levegőjét. Egy-egy (néhány) épületben központi kazán melegíti fel a melegvizet (teo<115 oC), majd a keringtetett melegvíz a számos lakás helyiségének radiátoraiban lehűl, miközben felmelegíti a lakások levegőjét általában központi használati melegvíz ellátással (újabban napkollektorral kooperálva).

Fűtési módok Terjed a fan-coil rendszer használata is főleg nagy légterű épületekben (pl. szállodák, bevásárló központok). A fan-coil rendszer olyan központi légkondicionáló rendszer, amely a fűtési szezonban a levegőt felmelegíti (tb=20-22 oC), nyáron a melegebb időszakban pedig lehűti (tb<(22-)26 oC), miközben az „elhasznált” levegőt folyamatosan cseréli.

Fűtési módok Távfűtésnél a távolsági hőforrás (gazdaságosan fűtőerőmű és kooperáló csúcskazán (FK) kooperációja) melegíti fel a fűtési (primer) forróvizet (teo>115 oC), s a forróvíz a távvezeték-hálózatban kering, a keringtetett forróvíz folyadékfázisának állandó fenntartása érdekében megfelelő nyomástartással (NYT).

Levegő fűtés és hűtés (fan-coil rendszer) Hőforrás, Hűtő Fogyasztók légtere levegő levegőcsere

Fan-coil rendszer elemei Hőforrások: Kaloriferek (gőz, melegvíz - levegő hőcserélők), Melegvíz-kazán - levegő hőcserélő, Kapcsolt hőtermelés. Hűtőforrás: Abszorpciós hűtőgép vízgőz hűtőközeggel, sűrítés termikus módszerrel (illeszkedés a távhőhöz): H2O+LiBr → 6-12 oC, H2O+NH3 → <6 oC. Kompresszoros hűtőgép hűtőközeggel, sűrítés villamosenergia-hajtású kompresszorral.

Távhőellátás

Távhő, főzés A távvezeték-hálózathoz nagyszámú, egy vagy több épületet kiszolgáló fogyasztói hőközpont (FHK) csatlakozik. A fogyasztói hőközpontban a forróvíz a fűtési hőcserélőben lehűl, miközben felmelegíti a fűtési (szekunder) melegvizet (teo<90 oC), majd továbbhűl, miközben a használati melegvíz hőcserélőben felmelegíti az ivóvíz-hálózatból vételezett használati melegvizet (thmv>45 oC). A keringtetett fűtési melegvíz a nagyszámú lakás radiátoraiban lehűl, miközben felmelegíti a helyiségek levegőjét, a használati melegvíz – esetleg tárolóval kiegészítve – pedig a fogyasztók csapjain keresztül a szennyvíz-hálózatba kerül.

Távhő, főzés A távhő akkor gazdaságos, ha az alaphőforrás tüzelőanyaga olcsó, gyenge minőségű szén, biomassza, kommunális hulladék lehet, vagy geotermikus közeg hőcserélője, míg a csúcs forróvíz-kazáné jó minőségű földgáz vagy fűtőolaj. A főzés hőigénye egyedi, a fejlett országokban gáz- és villany-, a fejlődő világban nap- és biomassza-tűzhellyel.

Energetikai jellemző A tüzelőanyagok kémiailag kötött energiája a tüzelőberendezésben hővé alakul, s hőjét átadja a hőhordozónak (levegő, folyadék- és gőzfázisú víz, termoolaj), s a hőhordozó biztosítja a fogyasztó hőteljesítményét. Energetikai jellemző: Mértékegység: teljesítmény [Whő/Wü ill. Wü/Whő], hő [Jhő/Jü ill. Jü/Jhő]: ηQ= 0,6-0,94 ill. qQ=1,7-1,06.

Hűtés, légkondicionálás 2. Hűtés, légkondicionálás

Hűtés Az élelmiszerek (hús, zöldség, gyümölcs) hosszabb idejű tárolását kb. 1930 óta hűtéssel, „hidegtermeléssel” oldják meg. a mélyhűtött áruk hőmérséklete -35 és -18 oC, a hűtött áruké 1-6 oC között változik, de a földgáz cseppfolyósításához (LNG) -160 oC-nál kisebb hőmérséklet szükséges.

Hűtés Hűtőgépek a 6 oC-nál kisebb hűtési hőmérsékletet kompresszoros hűtőgép, a 6-12 oC-nál nagyobb hűtési hőmérsékletet kompresszoros és abszorpciós hűtőgép egyaránt elláthatja.

2.3. Légkondicionálás A légkondicionálás (klimatizálás) feladata az emberi tartózkodásra vagy kényesebb gépek (számítógép), technológiák (chip, fűtőelem-kazetták), értékes festmények elhelyezésére szolgáló helyiségekben – a külső levegő állapotától függetlenül – mindenkor az előírt légállapot biztosítása az adott helyiségbe bevitt levegő kezelésével: fűtés-hűtés, szárítás-nedvesítés. A folyamatot megvalósító berendezések a klímakészülékek. A berendezések meghatározó elemei a fűtési, ill. hűtési hőcserélők, melyek megfelelnek a hűtőgép kondenzátorának, ill. elpárologtatójának. Az állapotváltozások a klímatechnikában szokásos nedves levegő h-x diagramban szemléltetik. A téli időszakban egy frisslevegős, nedvesítővel és hővisszanyerővel (rekuperátorral) kialakított klímakészüléket vizsgálunk. A beszívott külső A állapotú levegő és klimatizált térből távozó F állapotú levegő az R rekuperatív hőcserélőn áthaladva B légállapotot hoz létre a külső levegőben. Amennyiben szükséges, azt egy előfűtőn átvezetve C légállapotot kapunk, majd adiabatikus nedvesítő kamrában a levegőbe vizet porlasztanak (az állapotváltozás során a nedves levegő fajlagos entalpiája közel állandó), amelyből kilépő levegő D állapotú (relatív páratartalma közel 95 %). Ezt követi az utófűtő, ami beállítja az E végállapotot, amit a klimatizált térbe jut. Az ott lejátszódó állapotváltozást mutatja az EF vonal.

Frisslevegős, nedvesítővel és hővisszanyerővel (rekuperátor) kialakított klímakészülék üzeme télen

Nyári üzemállapot A külső A állapotú levegő a léghűtőn áthaladva az AC egyenes mentén szenved állapotváltozást, majd a hűtőt B állapotban hagyja el. A levegő ezután egy nedvesítő kamrába kerül, ahol =0,95-ig nedvesítik. Az innen távozó D állapotú levegő az utófűtőben felmelegszik és ez az E állapotú levegő jut a klimatizált térbe, amelyet F állapotban hagy el. A két kapcsolás különbsége a fűtési szezonban működő rekuperációs hőcserélő. Nyári üzemben ezt kiiktatva egy megfelelően kialakított hűtőgép (és hőszivattyú) segítségével ugyanaz a berendezés láthatja el a fűtési és hűtési feladatokat. A kereskedelemben kapható klímakészülékek fejlettebb típusai – az egyszerű ablak-klímakészüléktől kezdődően – képesek mindkét üzemmódban működni.

Frisslevegős, nedvesítővel és felületi hűtővel kialakított klímakészülék üzeme nyáron

Hőszivattyús hőtermelés 3. Hőszivattyús hőtermelés

Hőszivattyú A hőszivattyús hőtermelés a kisebb termodinamikai átlaghőmérsékletről – a hűtő-körfolyamat közreműködésével – a nagyobb termodinamikai átlaghőmérsékletre emeli („szivattyúzza”) a hőt. A hőszivattyús hőtermelés „jóságát” a rendelkezésre álló hulladékhő termodinamikai átlaghőmérséklete határozza meg.

Hőszivattyú A hulladékhő forrása lehet például: hulladékgőz (pl. Malmő távhőrendszerében a 10 MWth hőteljesítményű hőszivattyúja p=0,3 bar (ts=65 oC) nedvesgőz, COP≈0,08), alacsony (t<20-25 oC) hőmérsékletű termálvíz, városi szennyvíz (t<20-25 oC), mély tó vize (mélyebb rétegekben melegebb, t<5-10 oC), meleg (cserélendő) levegő, talajhő. A hőszivattyús körfolyamat megegyezik a kompresszoros hűtőgépével.