|
Miljøprojekt, 655 Reefer container unit med CO2
IndholdsfortegnelseForordDenne delrapport er udarbejdet på grundlag af beregninger, forsøg m.v. gennemført på Teknologisk Institut i perioden fra december 1999 til udgangen af december 2000. Forsøgene går ud på at undersøge mulighederne for at anvende CO2 som kølemiddel i Reefer Container unit, ikke blot de energiøkonomiske muligheder, men også mulighederne for, om et sådant anlæg kan indbygges i en eksisterende unit opbygning beregnet for kølemidlet R134a, der tidligere er udviklet af Mærsk Container Industri AS. Der blev til formålet indkøbt de nødvendige komponenter, og selve forsøgsperioden løb fra ca. 1. juli 2000 til ultimo december 2000. Miljøstyrelsens projekt nr. M 126-0046 blev udført i samarbejde med flg. firmaer: Mærsk Container Industri, A.P. Møller, Danfoss A/S, kompressorleverandører i Italien, Lodam A/S samt ECO, Italien. Projektlederne ønsker at takke flg. projektdeltagere for bidrag med råd og
vejledning: Niels Peter Raun, Henrik Jacobsen, Per Hother Rasmussen, Jørgen Stannow,
Filippo Dorin, Jens Andersen og Alessandro Fumo. Århus den 26. juni 2001
1. Resumé og konklusion
1.1 ResuméProjektet startede primo december 1999. Efter udarbejdelse af et oplæg til systemløsning, hvor vi valgte et princip med lavtryksreceiver, som er udarbejdet og patenteret af professor Gustav Lorenzen, NTH, blev alle nødvendige indkøb af komponenter foretaget. Det viste sig imidlertid hurtigt, at danske virksomheder hverken teknisk eller økonomisk så sig i stand til at producere de nødvendige fordampere, gaskølere m.v., hvorfor projektledelsen så sig nødsaget til at finde en anden leverandør. Valget af leverandør til varmevekslerne faldt på en italiensk virksomhed, som i forvejen er leverandør af varmevekslere til container reefer units. Der blev foretaget sprængningsforsøg med forskellige rørtyper, og valget faldt til sidst på et 3/8" rør med 0,7 mm godstykkelse, der havde et sprængningstryk på ca. 290 bar. Den italienske virksomhed udviklede det nødvendige værktøj til fremstilling af emnerne, og varmeveksleren blev leveret ultimo maj 2000 mod oprindeligt planlagt ultimo februar 2000. Anlægget blev nu sammenbygget og var klar til opstart ultimo juni 2000. Et ret hurtigt havari med kompressoren, muligvis på grund af væske (olieslag), førte til, at forsøgene først kunne genoptages ultimo juli 2000. Anlægget blev nu kørt med overkritisk tryk, og en komplet forsøgsrække blev gennemført. Olietilbageføringen var under hele forsøgsrækken et problem, og det blev efterhånden klart, at systemet ikke var driftssikkert. Efter en ombygning af forsøgsanlægget, hvor lavtryksreceiveren blev forstørret, blev det muligt at køre anlægget underkritisk. Der var dog stadigvæk evigt tilbagevendende problemer med olietilbageførslen og kølemiddelmængden på lavtrykssiden. En knækket tap på krumtappen, der driver kompressorens oliepumpe, resulterede i et endeligt havari med kompressoren. Efter endnu en ombygning til et system med åben mellemkøler og en ny kompressor, blev der nu gennemført en måleserie med underkritisk tryk. Kort inde i den sidste forsøgskørsel fordobledes effektforbruget pludseligt, og kompressormotoren brændte af. Der undersøges i øjeblikket, hvad der kan være årsagen. Der foreligger på nuværende tidspunkt ingen oplysninger om årsagen. Teknologisk Institut havde indgået en aftale med kompressorleverandørerne om ikke at åbne kompressoren og kan derfor ikke udtale sig om årsagen. 1.2 KonklusionMed udgangspunkt i ansøgningen til Miljøstyrelsen, som angiver flg.: Der skal udvikles et koncept og fremstilles en prototype, som testes og indkøres i laboratorium. Herefter fremstilles en kølecontainer, som testes i felten. Hovedmålsætningen er at vise, at det er muligt at producere en køleunit, som i sammenligning med de kølecontainer units, der i dag (1998 udgangspunkt) markedsføres:
Disse mål er ikke opfyldt i fuldt omfang af flg. årsager:
Ved projektets start blev der gjort visse overvejelser omkring volumetrisk og isentropisk virkningsgrad for kompressoren. Disse vurderinger, der var baseret på målinger hos Sintef i Norge, York i Århus, Danfoss, ASHRAE og vore egne, var alle gennemført på 1-trins kompressorer. Teknologisk Institut anvendte disse resultater til at danne grundlag for den første vurdering af processens egnethed. Forsøgene viser nu, at ikke alle forudsætninger holder. Den til forsøgene anvendte 2-trins kompressor har i en del af driftsområdet et ca.10% større energiforbrug end der oprindelig var forventet. Ved trykforhold lavere end 1,75 er den dog bedre. Se afsnit 5. Kompressoren er efter projektgruppens opfattelse det svage led i kæden. Kompressoren er en prototype, som endnu ikke er færdigudviklet. Vi har haft to brækkede ventiler (undersøgelser viser et almindeligt træthedsbrud). Et ødelagt trykleje medførte, at rotoren og dermed krumtappen vandrede ind mod krumtaphuset og gav rivninger i et skjold ved motoren, som medførte et uacceptabelt højt effektforbrug. En tap på krumtappen, der trækker oliepumpen, er knækket, og kompressorens lejer er ødelagte. Vi har haft seks forskellige kompressorer til afprøvning. Ingen af de fem har kørt over 100 timer. Den sidste kompressor er brudt ned efter kun 50 timers drift. Der mangler stadig enkelte komponenter, som ikke kan købes til rimelige priser. Dette gælder specielt mekaniske trykovervågningssystemer for olietryk, lav-/højtryk og stopventiler. Det er uvist, hvornår disse komponenter bliver almindeligt tilgængelige for køleindustrien. Mekaniske trykovervågningssystemer for olietryk, lav- og højtryk kan i containerunitten dog erstattes af computerens dataopsamling og overvågning, ligesom det også vil være hensigtsmæssigt at ude-lade stopventiler. Projektgruppen mener derfor ikke, at de nødvendige teknologier og komponenter er færdigudviklet, og at kølecontainer branchen i sig selv er for lille til alene at bringe dette teknologiløft til rådighed. Det er derfor vigtigt, at andre grene indenfor kølebranchen må være med til at bringe de nødvendige driftsikre komponenter på markedet. Projektgruppen anbefaler derfor at stoppe projektet ved denne milestone og lade udviklingen løbe nogle år med projektdeltagernes vågne øjne for udviklingen. Det kan ikke afvises, at parterne tager projektet op på et senere tidspunkt, når sandsynligheden taler for, at projektet vil lykkes. Efterskrift Juni 2001. Kompressorfabrikanter oplyser nu, at enkelte kompressorserier for CO2 er kommercielt tilgængelige med normale fabriksgarantier. 2. Systemvurderinger og forsøgs-opstilling2.1 Principper for CO2-anlæg til reefer container unitEn række forskellige systemløsninger har været testet og gennemdrøftet. Resultatet af de foretagne tests og overvejelser er, at projektgruppen har fundet nedennævnte løsning den bedste og mest driftsikre. Efterfølgende vil der blive fremlagt andre overvejelser, som alle er forkastet. Processen ligner i store træk det man kender fra CFC- og HFC anlæg, og vil derfor umiddelbart kunne indsættes i den eksisterende unit opbygning 2.2 System med lukket mellemkøler (economiser):Princippet har følgende fordele:
Princippet har følgende ulemper:
Projektgruppen startede forsøgsrækken med undersøge og teste efterfølgende løsninger, som senere er forkastet. 2.3 System med lavtryksreceiverDette princip er udviklet af professor Gustav Lorentzen ved NTH og var det oprindelige oplæg til anlægsløsning. Princippet har følgende fordele:
Princippet har følgende ulemper:
For at imødegå ovennævnte problemer overvejede vi at ombygge anlægget til et traditionelt 2-trinssystem med åben mellemkøler. 2.4 System med åben mellemkølerPrincippet har følgende fordele:
Princippet har følgende ulemper:
På et møde med MCI fremlagde man et princip med en lukket mellemkøler. 2.5 System med lukket mellemkøler med receiver efter gaskølerPrincippet ligner et traditionelt system med lukket mellemkøling. Princippet har følgende fordele:
Princippet har følgende ulemper:
2.6 Systemløsninger med CO2Med udgangspunkt i ovenstående omkring systemløsninger med CO2 er en række problemstillinger blevet diskuteret. Dette oplæg opsummerer konklusionerne fra dette tidligere arbejde og danner retningslinierne for det videre arbejde. 2.7 ProblemstillingerDe væsentligste problemstillinger med de afprøvede systemer kan nu opridses: Problematisk olieretur med forskellig opløselighed mellem CO2 og olie Med baggrund i disse erfaringer er et antal systemkoncepter blevet vurderet, hvor de mest interessante er simple systemer, hvor beholdere, der er til gene for olieretur, er undgået. Endvidere er et economiser-system vurderet som det mest relevante system i forbindelse med forøgelse af kapacitet og COP. Som udgangspunkt anvendes et system, som er tæt på at ligne et R134a anlæg, hvor rørføringen er simpel og stort set bibeholdt fra R134a-containeren. Endvidere er oliereturen sikret, hvis fordamperen er designet således, at olien kan trækkes med hjem. Det vurderes dog, at der kan opstå "kommunikationsproblemer" mellem drøvleventilen og ekspansionsventilen. Der kan opstå kølemiddelmangel til ekspansionsventilen, hvis drøvleventilen lukker, og termoventilen åbner. De to ventilers ydelse vil sikkert ikke være identiske. Dette punkt skal undersøges gennem et antal forsøg. Figur 2.7.1: Et andet problem med systemet skitseret i figur 2.7.1 er, at placeringen af receiveren på højtrykssiden vil forstærke kølemiddelsvingningerne i anlægget. Ved overkritisk drift (100 bar/35 °C) vil der stå en stor kølemiddelmængde på højtrykssiden som overkritisk fluid. Ved skift til lavere temperaturer, hvor anlægget kører underkritisk, skal en stor mængde af fyldningen overgå til væskeform og opbevares. Uanset hvor stor receiveren er, vil den i princippet aldrig være tilstrækkelig. Figur 2.7.2: Konceptet i figur 2.7.2 er blevet gennemdiskuteret. Det indeholder nogle fordele fremfor konceptet i figur 2.7.1.
Yderligere vil det være en fordel, at ekspansionsventilen til economiseren tager væske fra trykket i receiveren, da drivtrykket herved er større end efter termoventilen. Denne løsning vil formentlig altid fungere. Der er dog et problem, hvis mellemtrykket er overkritisk (hvilket under ekstreme forhold kan forekomme, hvis slagvolumenforholdet mellem lav- og højtryk er mindre end 2). Mellemtrykket vil da være højere end trykket i receiver, og strengen hen til termoventilen og economiseren vil i så fald ikke vil have nogen ydelse. Dette vil blive testet. 2.8 Kredsprocessen med CO2Anvendes CO2 som kølemiddel i køleanlæg eller varmepumper, vil processen være væsentligt forskellig afhængigt af temperaturen på kondensatorsiden. Ved lav temperatur af det medie, der skal køle kondensatoren, vil processen forløbe som for andre kølemidler (Carnot-proces). Imidlertid vil processen ved højere temperaturer forløbe lidt anderledes, Figur 2.8.1: da CO2 ikke kan kondensere ved temperaturer over 31°C. Dette betyder ikke, at processen ikke kan levere køling eller varme, men blot at systemet skal designes efter den anderledes kredsproces (Lorentz-proces). Kondensatoren anvendes nu ikke længere til at kondensere kølemidlet, men til at køle den transkritiske fluid og benævnes derfor ofte som "gaskøleren". I figur 4.8.1 ses den transkritiske kredsproces sammenlignet med den konventionelle kredsproces med R134a indtegnet i et h,log(p)-diagram. På figuren er indtegnet de to isotermer (40 °C) for hhv. R134a og CO2. Begge processer arbejder således ved en fordampertemperatur på -10 °C og op mod en udetemperatur eller vandemperatur på ca. 40 °C. Som det ses, arbejder kredsprocessen med CO2 ved langt højere tryk end R134a. Dette betyder, at rørsystemer, beholdere og komponenter skal designes til dette. Endvidere ses, at ekspansionsventilen har transkritisk fluid på tilgangen mod normalt væske (R134a). Dette betyder, at væskedannelsen for den transkritiske proces sker i ventilen under ekspansionen gennem dysen, hvilket normalt ikke er noget problem. 2.9 Optimalt højtryk med overkritisk driftVed overkritisk drift findes der ikke i kondensatoren sammenhæng (afhængighed) mellem tryk og temperatur. Dette betyder, at systemet nu er blevet tilføjet endnu en frihedsgrad, således at det er muligt at styre trykket i gaskøleren og temperaturen i gaskøleren uafhængigt. Figur 2.9.1: Figur 2.9.1 viser, hvorledes kuldeydelsen (Q0) drastisk forøges ved at ændre CO2-temperaturen ved afgang fra gaskøleren. Kompressorens arbejde (Wk) er det samme. Under normale forhold kan CO2-temperaturen ved afgang fra gaskøler ikke vælges vilkårligt, men vil afhænge af konditionerne, hvorunder anlægget kører. Dette kan være lufttemperaturen ved køling af gaskøleren med luft eller vandtemperaturen ved køling af gaskøleren med vand (vandkølet gaskøler). Da man ikke selv er herre over temperaturen ved afgang fra gaskøleren, betyder dette, at man i stedet kan vælge et tryk i gaskølerne, der er optimalt for en ønsket drift (høj/lav kapacitet) eller blot for givne konditioner at maksimere COP for anlægget. Kapacitetsregulering for et transkritisk CO2-anlæg kan - ud over de normale metoder - opnås ved at styre trykket i gaskøleren. For en given CO2 -temperatur ved afgang fra gaskøleren (bestemt af ydre konditioner) er det således muligt at kapacitetsregulere anlægget inden for meget vide grænser. Princippet er vist i figur 2.9.2. Figur 2.9.2: Det antages, at CO2’s temperatur ved afgang fra gaskøleren er bestemt af de ydre konditioner og ligger på 35 °C. Som det ses, er det muligt at forøge anlæggets kapacitet væsentligt blot ved at hæve trykket i gaskøleren en smule. Omvendt er det også muligt at reducere kapaciteten, hvis dette er ønsket, hvor der samtidig opnås en energibesparelse på kompressoren. Dette aspekt er meget vigtigt i forståelsen af mulighederne i den transkritiske CO2-proces. Ofte er der ikke behov for kapacitetsregulering, eller dette opnås på en anden måde, f.eks. ved kapacitetsregulering af kompressoren (cylinderudkobling eller omdrejningstalsregulering). I denne situation vil det være muligt at styre efter den maksimale COP af processen. Figur 2.9.3 viser det beregnede optimale valg af gastrykket i gaskøleren afhængigt af gassens temperatur ved afgang fra gaskøleren. Figur 2.9.3: Som det ses af figur 2.9.3, afhænger det optimale højtryk både af gastemperaturen ud af gaskøleren, men også af fordampertemperaturen. Endvidere vil det optimale tryk afhænge af følgende:
Betydningen af disse elementer er ikke undersøgt endnu, men det vurderes, at de ikke vil ændre billedet markant. På baggrund af en analyse kan det optimale højtryk nu findes på baggrund af varierende fordampertemperaturer (Te) og temperaturer ud af gaskøleren (Tg,2). Den isentropiske kompressorvirkningsgrad er holdt konstant på 0,6, mens effektiviteten for den interne varmeveksler er fastholdt på 0,5. Figur 2.9.4: Det er således lykkedes at generere et meget simpelt udtryk, som angiver det optimale højtryk (for optimal COP) på baggrund af Te og Tg,2. Pg,2 (optimal) = 0,7244 – 0,275 * Te + 2,275 * Tg,2 I figur 2.9.5 ses følsomheden for korrekt valgt højtryk. Som det ses, kan det være dyrt at "skyde under" det optimale tryk, da COP her falder kraftigt. Imidlertid er kurverne relativt flade for højere tryk. Figur 2.9.5: 2.10 Reguleringsfunktion for drøvleventilenFigur 2.9-6: Reguleringsudtrykket ser nu således ud: For Tg,2 mindre end 20 °C holdes ventilen helt åben. For Tg,2 < 20 °C så er Tg,2 = 20
a = 282.05394 b = -1.5741522 c = -167064.7 d = 425285.17 e = -3.68426 x 109 3. Beregninger og dimensioneringer
3.1 ForsøgsopstillingForsøgsopstillingen består af en færdigmonteret Reefer Container unit, der er placeret mellem 2 isolerede klimarum. I hver af de to kølebokse er der anbragt varmevekslere, som på kondensatorsiden henholdsvis fjerner og på fordampersiden tilfører energi, så man til enhver tid kan danne den ønskede lufttilstand. På fordampersiden kan en delmængde af energi tilføres i form af vanddamp. 3.2 TestanlægTestanlægget består dels af selve køleunitten, som beskrives senere, og 2 klimarum, hvor enhver aktuel lufttilstand kan dannes, se fig. 3.2.1.
Figur 3.2.1 3.3 Opbygning af testrigContainer-unitten er opbygget med udgangspunkt i en prototype standardramme fra MCI, så anlægget i videst mulig omfang ligner de eksisterende anlæg. Den oprindelige opbygning af komponenter og måleudstyr fremgår af fig. 3.2.1. Anlægget er i slutfasen modificeret som beskrevet i afsnit 3. CO2 kølecontainer unit Stykliste for forsøgsopstilling
4. Måledata og resultater
Der er foretaget ca. 50 sæt sammenhørende målinger, men kun de sidste 15 målinger, hvor anlægget som det forventes at komme til at køre i fremtiden, er medtaget. Måling af anlæggets kapacitet er alene sket ved måling af kølemiddelflowet i anlægget og tilstanden før, ved mellem-trykket og efter kompressoren. Bemærk: Ved måling med 2-trins kompressor giver hver måling 2 værdier for volumetrisk og isentropisk virkningsgrad. På grundlag af målinger foretaget på en 1- og 2-trins kompressor ved 50 Hz er fremkommet følgende (se fig 4.1): Målingerne af 2-trins maskinen er foretaget på selve forsøgsopstillingen, hvorimod 1-trins maskinen er målt i en speciel forsøgsopstilling. Målinger af volumetrisk virkningsgrad for henholdsvis 1- og 2-trins kompressor falder fint sammen. Derimod er der forskel på målinger af den isentropiske virkningsgrad for 1- og 2- trins kompressoren. Kompresoren er en 2-trins kompressor med henholdsvis 3,6 og 1,8 m3/h i lav- og højtrin. 1- trins kompressoren har et slagvolumen på 5,4 m3/h. De målte ydelser er fremkommet ved 50 Hz og fremgår af diagram nr. 4.2. Det er tydeligt, at 2-trins kompressorens ydelse er væsentligt for stor - specielt ved de høje temperaturer, hvor man har behov for mindsket omdrejningstal for at tilpasse kapaciteten. De målte COP værdier fremgår af fig. 4.3. Figur 4.1:
Fig. 4.2:
Fig. 4.3: Der er en enkelt måling i området 2/20°C, som typisk falder udenfor de øvrige målinger af COP og kapacitet. Efter nærmere granskning har det vist sig, at målingene er foretaget med et alt for højt gastryk (100 bar), som har medført, at anlægget unødvendigt er kørt med overkritisk tryk. Ved beregningen af gennemsnittet for de målte værdier er denne måling udeladt. Målingerne er foretaget uden economiser. Med economiser vil ydelsen ligge mellem 5 og 20% højere, afhængig af temperaturforholdene. De gennemførte målinger og vurderinger ligger på en CD og kan rekvireres til gennemsyn. Fig. 4.4: Beregningen af COP-værdien for anlæg med R134a er gennemført med en 2-trins kompresor med economiser. Der er regnet med en kondenseringstemperatur på 35°C ved 20°C luft. Ved 30°C luft er regnet med en kondenseringstemperatur på 45°C. Fordampningstemperaturen i °C for +2 er sat til –7, for –18 til –23 og for –28 til –33. For beregningen af CO2 anlægget med economiser er der regnet med de samme data og temperaturer som ved forsøgene, og resultaterne er fremkommet som gennemsnitsværdier af alle målinger. Der er ingen energimæssig fordel ved at anvende economiser ved 2/20 °C. Economiserens ydelse går derfor mod 0. På grundlag af data oplyst af MCI [1] er der udført en beregning af CO2 belastningen for en container med henholdsvis CO2 og R134a. Containerens levetid er sat til 15 år. Det forudsættes, at begge anlæg kapacitetsreguleres med frekvensomformere. Beregningsresultatet fremgår af tabel 4.1. Tabel 4.1 Tilsvarende har R134a en drivhuseffekt, som svarer til udledning af 1340 kg CO2/ kg 134a. Driftomkostninger (i form af CO2 udledning) er som det fremgår af tabel 1 beregnet til ca. 6784 kg CO2 over 15 år, hvilket svarer til udslip på knap 5 kg R134a pr. anlæg. Indregner man en economiser i CO2 anlægget, bliver forskellen lidt mindre mellem de 2 processer. Den ækvivalente CO2 udledning bliver derved godt 2 kg R134a pr. anlæg. (Se tabel 4.2). Tabel 4.3
Som CO2 ækvivalent er anvendt 0,52 kg CO2/kWh. * kapacitet ifølge MCI Teknologisk Institut, Energi Gunnar Minds
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
