Ämne: Kondensmaskin?

[OskarN]

Hej.
Jag tänkte utvinna vatten (kondensat) direkt ur luft.
Jag behöver dock lite hjälp med en av idéerna.

En vanlig tryckluftstank samlar ju på sig kondens efter ett tag, som man normalt sett tömmer ut.
Då har man ju en vanlig luftavfuktare men med luften i sig som köldmedium. En servicemässigt renare och snyggare konstruktion alltså. Arbetsprincipen blir ju ändå som en värmepump egentligen.

Fråga: Hur räknar jag ut hur mycket kyla jag får ut per inmatad energi med en sådan apparat?

Jag försöker få reda på hur mycket sämre energieffektivitet det blir mot en vanlig avfuktare som jag har i badrummet, eller en AC... 


Tack på förhand
Mvh
Oskar N







 

[xxargs]

Det är termodynamik du skall läsa - är på fel dator (ny disk och inget bra och ha ännu installerat) men luften kommer bli rejält varm även vid måttliga tryckökning som 2-3 Bar övertryck och skall vettig andel fukt kondenseras ut av tex. 30% Rh vinterluft när det kyls av igen så blir det att komprimera betydligt mer.

Att komprimera vanlig luft till tex 8 Bar så blir utgående luften om det inte kyls i kompressor i samband med kompression  typ 250 grader C + extra uppvärmningen av kompressorns egna förluster om all värme måste följa med utgående luft.

luft är jobbig att komprimera och all axelkraft till kompressorn omsätts till värme. 

[pi.r]

...
Fråga: Hur räknar jag ut hur mycket kyla jag får ut per inmatad energi med en sådan apparat?
...

Om du kondenserar vatten ut luft får du värme, inte kyla.  (+ värmeförlusten i maskineriet)

Är det vatten eller kyla/värme du vill ha?

[OskarN]

Ok, det låter ju lovande att det är så stor temperaturskillnad per tryckökning.  Men hur räknar du på det?
Man jämför den inre energin mellan två tillstånd va? Luften komprimeras, och kyls sedan av till 20 °C i komprimerat tillstånd. Sedan är tanken att luften förlorar inre energi när man sänker trycket igen, och därav sänks temperaturen till under 20 °C. Det är ju precis som en värmepump jobbar, så någon här borde ju veta hur man räknar ut cop? Inte gamla max temp genom temperaturdiffen utan verkligen räkna!

Eller har jag missat att söka något särskilt på forumet?

Jag har inte läst termodynamik på universitet, utan får klara mig med Fysik B från gymnasiet.
Jag kontaktade en klimatolog som skickade mig länkarna http://www.weatherbase.com/ och http://www.worldclimate.com/ Tripoli har t.ex. en årsmedeltemperatur på 20 °C och en årlig medeldaggpunkt på 12 °C. I det fallet handlar det alltså om att sänka lufttemperaturen med lite drygt 8 °C.



 
 

[OskarN]

Sry pi.r. såg inte att du svarat med. Det är vatten jag är ute efter.

Ja visst, vattnet avger ju värme iom att det bli kallare. Modellen är väl att enstaka vattenmolekyler ligger ovan kokpunkten och figurerar som ånga i luften. Det är därför jag vill sänka luftens medeltemperatur med ett visst antal grader, beroende på hur långt ifrån daggpunkten man råkar vara.

[pi.r]

Hmm... Vilken intressant idé: 
Ta rent vatten direkt ur luften, och få energi på köpet, tex i form av el-energi. Det blir ju mycket energi "över" per liter vatten.

Det är ju ännu bättre en en perpetum mobile...

Men då måste man både kunna tillvarata energin vid dekomprimeringen och kylningen av den komprimerade luften. Synd att det ska vara så svårt. Att det blir en massa värme över blir man ju inte så glad för i Tripoli... Det vore klar Nobellpris-klass på en anrättning som klarar bedriften att gå ±0 (om det ens är teoretiskt möjligt?). Fast det var väl inte heller din målsättning antar jag.

Tyvärr har inte jag heller tillräckligt med teorikunskaper för att hjälpa till att räkna.

Om det är Tripoli med omnejd som är målgruppen... Skulle inte en sol-värmd sorptionsavfuktare göra jobbet? Visserligen utan el-överskott, men i alla fall utan el-tillskott.

[xxargs]

Det kommer inte att vara bättre med den tekniken är sedvanlig avkylning/avfuktning med AC


Om vi tar 30% Rh fuktig vinterluft @ 20 grader C så behöver man komprimera denna till 2.3 bar övertyck för att dess vattenånga skall nå daggpunkten vid 20.0 grader. Och av uppvärmningen under kompressionen så krymper volymen till bara 0.42 av den ursprungliga volymen medans utan uppvärmning för att man kyler luften under kompressionen (dvs 20 grader ut) skulle volymen bara vara 0.30 av den insugna volymen.   

Det som är problemet med att pumpa luft är att det kosta kraft, massor av kraft.

Med en 100% perfekt kompressor helt utan friktion eller läckage (isentropisk verkningsgrad av 1) och adibatisk process (ingen värme överförs mellan den komprimerade luften och kompressorns inre ytor) så ger kompressionen från atmosfärstryck till 2.3 bar övertryck en uppvärmning till 138.78 grader C - entalpin går från 419.15 kJ/kg till 538.89 kJ/kg och differensen mellan dessa är arbetet på kompressoraxeln med 119.74 kJ/kg pumpad luft och detta sammanfaller ganska väl med temperaturökning då denna är ca 1 kJ/kg per grad C för luft. Entropin är oförändrad av denna kompression eftersom vi använder förlustfri kompressor.


Om vi skulle gå på en verklig kompressor säg 0.7 i isentropisk verkningsgrad (vilket är högt räknat för mindre kompressorer)  så hade entalpiändringen istället varit  1/0.7 * 119.74 = 171.06 kJ/kg vilket gett en utloppstemperatur på 189 grader C vid 2.30 bar övertryck och även entropin hade ändrat sig från 3.8649 kJ/kg-K till 3.9824 kJ/kg-K.  När luften värms ytterligare så expanderar den komprimerade luften ytterligare och det som pressas ut har ca halva volymen av det som sugs in. Vilket betyder att ännu mera arbete tas från elmotorn som driver kompressorn än om luften hade kylts och volymen också minskat relativt sett under kompressionen. (det finns orsak varför man vill ha intercooler på bilar med turboaggregat då även en ganska liten kompression värmer upp luften avsevärt och då isentropiska verkninsgraden på en avgasturbin förmodligen ligger under 0.5 så blir utgående komprimerade luften ännu varmare)

Sedan man tar och kyler den här komprimerade luften till 20 grader C igen (och nå daggpunkten för fukten i gasen) och då kommer entalpin att vara nästan tillbaka där den var innan kompressionen 418,60 kJ/kg medans entropin har sjunkit till 3.5205 kJ/kg-K och med detta innebär att all kraft som elmotorn har matat in i kompressorn har bara blivit varmluft från den heta komprimerade luften när man kylde ned den komprimerade luften till 20 grader igen efter kompressionen.

Det man ser här är att entalpin är något lägre än innan pga. att luft inte är en ideal gas (med en idela gas så skall entalpin bli spot on samma som tidigare då denna beror endast på temperaturen av gasen oavsett tryck)  - det finns fortfarande attraktionskrafter kvar mellan molekylerna som blir starkare ju närmare dessa pressas varandra av den högre trycket,  även om den är liten nu när temperaturen är så långt över gasens kritiska temperatur/tryck.

Tar man och släpper ut den komprimerade gasen genom munstycket (ala renblåsningspistol) så kommer varken entalpin eller temperaturen att ändra sig speciellt mycket för gasen som strömmar ut genom munstycket - temperaturen kommer att sjunka ungefär 0.45 grader C pga. expansionen då att dra isär molekyler som även det lilla minsta attraherar varandra - kostar energi och detta kyler gasen, men inte mer,  medans entropin ökar till nästan det ursprungliga värdet av 3.8630 kJ/kg-K.

Inom termodynamiken har dom flesta väldigt besvärligt med begreppet 'entropi' - även jag knölade med detta mycket innan jag tror att jag fått ett grepp på ungefär vad det handlar om.

Entropi kan man säga är graden på oordning eller som man vill, frihetsgrader i en molekyls möjliga rörelse och vill vara så stort som möjligt, och när molekylerna är nära varandra som med komprimerad luft så är frihetsgraderna inskränkta då en del av de annars möjliga slumpmässiga rörelserna inte längre är tillgänglig när molekylen känner för det, för att en grannmolekyl är i vägen och upptar utrymmet - komprimerad luft vid en viss temperatur är alltså mer välordnat än motsvarande luft vid en lägre tryck vid samma temperatur och komprimerad luft har lägre entropi än motsvarande luft vid atmosfärstryck och samma temperatur!.

- Och man kan säga att viljan till oordning eller återtar frihetsgraderna genom att sparka bort grannarna så långt det går med den inre energin molekylen har i sig är det som gör att luften expanderar efter munstycket och entropin höjs - utan att temperaturen ändras så mycket.

frågan är då - vad tas då energin som gör att att luften pressas ut och accelereras till hög fart?

Energin till att pressa ut luften tas inte från gasströmmen i sig - däremot från tanken där luften förvaras då pelaren med gas/luft som pressar genom renblåsningsmunstycket också kan ses som en kolv som hela tiden pressas bort med friktionsmotstånd eller energi lagras i accelereration av luft i en strömningsriktning - det utförs ett arbete hela tiden och förloppen i mikroskala är ungefär som (massor av) mindre klot träffar en större klot i en elastisk stöt - den större klotet (kolven) kommer lite i rullning och den mindre kulan (luftmolekylen) som stötte till den större klotet studsar tillbaka igen men med lite mindre fart då lite av rörelsenergin har överförts till det större klotet - och lägre fart i gasmolekylernas värld är samma sak som lägre temperatur och den spridningen med informationen att molekylerna studsar tillbaka lite dämpat, med lite mindre kraft på en viss fläck i tanken (utgångshålet) än resten av väggarna sprids med ljudets hastighet vilket gör att hela gasvolymen i tanken svalnar samtidigt i tanken med bara microsekunders fördröjning mellan tanken ändarna och arbetet att pressa ut gasen ur en tank med tryckluft tas i grunden från den inneboende värmen i luften i sig själv och gasen/luften som är kvar i tanken kyls mer ju mer luft som pyser ut - och det ganska ordentligt kall om tanken skulle vara helisolerad och helt utan uppvärmning av luften (adibatisk process)  - problemet är när all övertryck har försvunnit så är det inte så mycket luft-massa kvar som kan ta upp värmen om man nu tänkte sig en kylprocess...

2.3 bar övertryck luft som i en adiabatisk process (dvs ingen värmeutbyte med omgivningen) och isentropisk expansion (dvs arbeter utförs med en perfekt luftmotor utan friktion eller läckor) så kommer utloppet på luften att vara -64 grader C och per kilo tryckluft luft har det då utförts ett arbete av 84.9 kJ/kg - tänker man sig att isentropisk verkningsgrad är 0.7 även i luftmotorn så är den nyttiga effekten bara 59.5 kJ/kg och temperaturen på luften är då -39 grader om inte luftmotorn värmer någon luft under processen

Med andra ord går det åt 171 kJ/kg luft i kompression med en kompressor med förluster och i en luftmotor med förluster  kunde man utvinna 59.5 kJ/kg av det komprimerade luften eller om man vill så fick man ut ungefär 34% av energin som kompressorn pumpade in och då är det ändå högt räknat!!.  saken är att ju högre tryck man pumpar och därefter kör luftmotor tillbaka igen gör kvoten allt sämre. Tror att man i praktiken räknar med max 20% på luftmotorn av insatt kompressorkraft i tryckluftsystem på 8 Bar och att värma tryckluften rejält innan den går in i luftmotorn kan förbättra dess luftvolymmässiga verkninsgraden drastiskt. 

Nu kanske någon tycket att jag har spårat ut från en diskussion om att torka luft till tryckluftsekonomi, men det finns intressanta värden i ovanstående förhållande.

Tidigare nämndes att luften blev 189 grader C varm när den komprimerades till 2.3 Bar övertryck för att man skulle nå daggpunkt för 30% Rh fuktig luft när luften sedan kyldes igen - det är ungefär lika många kJ i energi per kg som temperaturen höjdes i grader, dvs 171 kJ/kg för att nå daggpunkten vid 20 grader när den sedan kyls igen, medans att kyla luften från 20 grader C till +0.8 grader C för daggpunkten kostar bara ca 19 kJ/Kg  - en kyla som dessutom kan genereras med COP 2-3 i en kylmaskin vilket gör att elekriska kostnaden är mellan 6.3 - 9.5 kJ/kg kyld luft

Dvs. för att nå daggpunkten med kompression kostar ca 171 kJ/kg luft (47.5 Wh/kg) medans att kyla med kylmaskin till daggpunkt kostar mellan 6.3 - 9.5 kJ/kg luft (1.75 - 2.64 Wh/kg)

till detta så tillkommer det förångningsvärmen av själva vattnet  men beloppen ovan bara för att _nå_ daggpunkten borde indikera att komprimera luft för att få ut fukt ur luft  i jämförelse att kyla ut fukten ur luften kanske ändå inte är så bra ide trots allt.


 

 

 

 

   

[OskarN]

Hej igen. Det var i princip termodynamikens första huvudsats jag behövde
U=Q-W och lite antaganden gav ungefär samma slutsats som Xxargs.
Riktigt bra, utförligt svar f.ö. XXargs! Det förde ljus över hela fallet. 

Pi.r - sorptionsavfuktare fungerar säkert bättre.
Det är en annan fråga, dock.

http://sv.wikipedia.org/wiki/Termodynamik