| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Reefer container unit med CO2

2. Systemvurderinger og forsøgs-opstilling

2.1 Principper for CO2-anlæg til reefer container unit
2.2 System med lukket mellemkøler (economiser):
2.3 System med lavtryksreceiver
2.4  System med åben mellemkøler
2.5 System m. lukket mellemkøler m. receiver efter gaskøler
2.6 Systemløsninger med CO2
2.7 Problemstillinger
2.8 Kredsprocessen med CO2
2.9  Optimalt højtryk med overkritisk drift
2.10 Reguleringsfunktion for drøvleventilen

2.1 Principper for CO2-anlæg til reefer container unit

En 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:
Olietilbageføring er sikker
COP-værdien er næsten på højde med anlægget med den åbne mellemkøler
Trykket i receiveren (røret mellem de to ventiler) vil have en defineret størrelse, nemlig den, der svarer til det punkt, hvor kølemidlet skærer nedre mætningskurve under ekspansionen.
Receiveren behøver ikke være så stor. Den kan være fyldt helt op
Der er en kapacitetsudligning mellem de to ventiler i form af receivervolumen.
Der er kombineret economiser og olieretur.

Princippet har følgende ulemper:
Receiverens placering er forskellig fra det princip, som anvendes i R134a-anlægget, men er nødvendig.
Der er to ekspansionsventiler + en ekspansionsventil for economiseren
Processen er patenteret af "Sintef " og skal behandles som sådan.

Projektgruppen startede forsøgsrækken med undersøge og teste efterfølgende løsninger, som senere er forkastet.

2.3 System med lavtryksreceiver

Dette princip er udviklet af professor Gustav Lorentzen ved NTH og var det oprindelige oplæg til anlægsløsning.

Princippet har følgende fordele:
Rørføringen er enkel
Der er kun én drøvleventil

Princippet har følgende ulemper:
Olietilbageføringen er ret problematisk. Specielt er der problemer ved underkritisk tryk
Olietilbageføringen sker direkte ind i lavtrykscylinderen, hvilket har givet problemer med fri olie direkte ovenpå stemplet, så kompressoren ikke kunne starte.
Lavtryksreceiveren skal have et volumen på ikke mindre end 8 til 10 liter for at kunne optage svingningerne i kølemiddelmængden mellem høj- og lavtrykssiden, og den vil uvægerligt kunne forårsage væskeslag på kompressoren under de driftsvilkår, som en kølecontainerunit kommer ud for.
Under overkritisk drift kan der principielt være helt op til 7 kg kølemiddel i gaskøleren imod kun ca. 0,5 kg ved underkritisk drift.
Det er svært at styre, hvor kølemidlet fysisk befinder sig, specielt ved underkritisk drift, hvor der principielt kun er lidt kølemiddel i kondensatoren. Ved underkritisk tryk vil kølemidlet befinde sig på lavtrykssiden. Ved overkritisk tryk befinder kølemidlet sig på højtrykssiden. Dette er fysiske kendsgerninger, der ikke lader sig ændre.
Processens samlede COP er ikke optimal
Risiko for kondensering i mellemkøler ved underkritisk drift og temperaturer under 20°C.

For at imødegå ovennævnte problemer overvejede vi at ombygge anlægget til et traditionelt 2-trinssystem med åben mellemkøler.

2.4 System med åben mellemkøler

Princippet har følgende fordele:
Højst mulig COP-værdi

Princippet har følgende ulemper:
Mellemtryksreceiveren skal have et volumen på 8 til 10 liter, og den vil uvægerligt kunne forårsage væskeoverløb til kompressoren under de fysiske vilkår, som en kølecontainerunit kommer ud for.
Rørføringen er ret kompleks
Der er to ventiler
Det kan være svært at styre, hvor kølemidlet fysisk befinder sig, specielt ved underkritisk drift, hvor der principielt kun er lidt kølemiddel i kondensatoren.
Olietilbageføringen er behæftet med en vis usikkerhed
Ikke risiko for kondensering i mellemkøler.

På et møde med MCI fremlagde man et princip med en lukket mellemkøler.

2.5 System med lukket mellemkøler med receiver efter gaskøler

Princippet ligner et traditionelt system med lukket mellemkøling.

Princippet har følgende fordele:
Rimelig simpel rørføring
Ligner det system, som anvendes i R134a-anlægget
Olietilbageføringen er sikker, men sker til lavtrykscylinder

Princippet har følgende ulemper:
Der vil uvægerligt opstå "kommunikationsproblemer" mellem drøvleventilen og ekspansionsventilen. Trykket mellem de to ventiler vil ikke have en præcis defineret størrelse. Der kan opstå kølemiddelmangel til ekspansionsventilen, hvis drøvleventilen lukker, og termo-ventilen åbner. De to ventilers ydelse vil uvægerligt ofte gå i modfase.
COP-værdien vil være relativ dårlig, da væskeunderkølingen gennemføres med lavtryksgas
Der er nu to ekspansionsventiler mod før én
Der kan ske kondensering i mellemkøler
Receiveren skal være uendelig stor, og anlægget vil ikke kunne fungere både ved over- og underkritisk drift.

2.6 Systemløsninger med CO2

Med 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 Problemstillinger

De væsentligste problemstillinger med de afprøvede systemer kan nu opridses:

Problematisk olieretur med forskellig opløselighed mellem CO2 og olie
Risiko for væskeslag ved overløb fra beholdere
Bestemmelse af kølemiddelfyldning
Fyldningens placering i anlægget
Kondensering i mellemkøler

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:
Lukket mellemkøler med receiver efter gaskøler

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:
Nyt forslag til system med lukket mellemkøler

Konceptet i figur 2.7.2 er blevet gennemdiskuteret. Det indeholder nogle fordele fremfor konceptet i figur 2.7.1.

  1. Receiveren sidder placeret ved et tryk, som ikke er det samme som kompressorens mellemtryk, men et tryk, der opstår mellem drøvleventilen og ekspansionsventilen, og som viser sig at være trykket ved grænsekurven.
       
  2. Der tilføres en frihedsgrad (receiver), således at de to ventiler kan reguleres uafhængigt
      
  3. Receiveren er nødvendig for at udligne kølemiddelmængden på højtrykssiden, der varierer voldsomt afhængigt af, om anlægget kører over- eller underkritisk.
      
  4. Economiseren er placeret efter drøvleventilen.

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 CO2

Anvendes 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:
Kredsprocesser for R134a og CO2

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 drift

Ved 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:
Ydelsens (Q0) afhængighed af gastemperaturen ud af gaskøleren for fastholdt tryk

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:
Ydelsens (Q0) afhængighed af trykket i gaskøleren for fastholdt gastemperatur

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:
Beregnet tryk i gaskøleren for optimal COP afhængigt af fordampertemperaturen og gastemperaturen ud af gaskøleren (Tg,2).

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:
Virkningsgrader for kompressor
Tryktab i vekslere og rør
Effektivitet af intern varmeveksler
Om der anvendes economiser eller ej

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:
Beregnet tryk i gaskøleren Pg2 for optimal COP afhængigt af fordampertemperaturen te og af gastemperaturen tg2 ved afgang fra gaskøleren.

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:
Beregnet følsomhed for korrekt valg tryk i gaskøleren for optimal COP (Te =
-25 °C)

2.10 Reguleringsfunktion for drøvleventilen

Figur 2.9-6:
Beregnet sammenligning mellem gastemperatur ved afgang gaskøler og optimalt gastryk med indtegnet reguleringskurve, som bestemmes ved nedenstående ligning.

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

 

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |