|
Sammenligning af energiforbruget til køling i supermarkeder med transkritisk CO2 og kaskade system 1 Laboratorietest og transkritiske anlæg og kaskadeanlæg
Målingerne er foretaget i løbet af sommeren og efteråret 2004 i laboratoriet på Teknologisk Institut i Århus. Der er målt på to forskellige anlægstyper. 1.1 Forsøgsopstilling transkritiskCO2 han i mange tilfælde samme egenskaber som konventionelle kølemidler. Det adskiller sig dog på to punkter, højt trippelpunkt (-56 °C) og lavt kritisk punkt (31,06 °C). I denne type applikationer er trippelpunktet normalt ikke interessant, da det kører med temperaturer på omkring -10 til -30 °C på lavtemperatursiden. På højtemperatursiden forekommer der ofte temperaturer over det kritiske punkt. Derfor er det væsentligt at give netop dette punkt særlig opmærksomhed. Ved temperaturer over 31,06 °C kan CO2 ikke kondensere, som det kendes fra konventionelle, hvorfor man er nødt til at køre transkritisk. Når der køres transkritisk, er der ikke en kobling mellem tryk og temperatur som ved kondenserende kølemidler. Det betyder, at man skal styre højtrykket aktivt. Denne styring har stor indflydelse på effektiviteten på systemet. På ovenstående figur ses tre forskellige kredsprocesser indtegnet i log P-h diagram. Alle kredsprocesserne kører med samme fordampningstemperatur og samme temperatur ud af gaskøleren. Kredsprocesserne adskiller sig ved at køre ved tre forskellige højtryk. Det ses også, at køleydelsen vokser, når højtrykket hæves. Det samme gør kompressorarbejdet. Hvis køleydelsen vokser relativt mere end kompressorarbejdet, giver det en forøgelse af COP for systemet. Der findes et optimum for trykket i gaskøleren, hvor der opnås maksimal COP. Som alternativ kan det også vælges at styre efter kapacitet, da denne trykregulering også kan anvendes til at styre ydelsen på anlægget trinløst helt ned til 0 %. Set fra et energimæssigt synspunkt er det en dårlig løsning at styre kapaciteten på denne måde, men det åbner muligheder, som ikke kan opnås med andre typer af kapacitetsregulering.
Figur 2: COP indtegnet som funktion af tryk i gaskøleren Det optimale tryk afhænger ud over temperaturen i gaskøleren også af isentropvirkningsgraden samt fordampningstemperaturen. Af figuren oven for ses det også, at hvis man ikke kan ramme det optimale tryk, er det bedre at køre med for højt tryk end for lavt tryk, da kurverne falder meget hurtigt af ved for lavt tryk. Til de kørte test er der anvendt et anlæg med lavtryksreceiver. Denne anlægstype er ikke den slags, der vil blive anvendt i supermarkeder, men indvirkningen, som dette vil have på resultaterne, er meget lille, og der kan derfor ses bort fra dette. Til forsøgene er der styret efter optimal COP. Forsøgsanlægget er forsynet med to vandkredse til henholdsvis fordamper og gaskøler. Dette gøres af praktiske hensyn, da det er lettere at styre temperaturerne, end hvis der blev anvendt luft. Der anvendes en Dorin TCS329 éttrins-kompressor. Anlægget kan udelukkende anvendes til køleapplikationer. 1.2 Forsøgsopstilling kaskadeSom den anden anlægstype er det valgt at benytte et kaskadeanlæg med CO2 på lavtemperatur, der pumpes rundt til kølestederne eller ekspanderes direkte til frost og suges tilbage med en kompressor. På højtemperaturdele anvendes et propananlæg.
Figur 3: Pi-diagram af det anvendte anlæg
Figur 4: PI -diagram af CO2-propan kaskadeanlæg Propankredsen ligner en konventionel kølekreds med en luftkølet kondensator med to ventilatortrin samt to Bitzer kompressorer med mulighed for trinkobling. Der anvendes en mekanisk ekspansionsventil, der styrer fyldningen af kaskadeveksleren. Som kaskadeveksler og intern varmeveksler anvendes pladevekslere. CO2-kredsen består af tre kredse. Den første kreds er en selvcirkulationskreds, hvor gassen fra receiveren kondenseres i kaskadeveksleren, og væsken drænes tilbage til receiveren. Den anden kreds er en pumpekreds, hvor væske fra receiveren pumpes rundt til de forskellige kølesteder og fordampes delvist. Blandingen af gas og væske returneres til receiveren, hvor væsken separeres, og gassen forsætter til kaskadeveksleren. Den sidste kreds forsyner frostgondoler og rum med køling. Væske fra receiveren ekspanderes og fordampes, hvorefter den suges hjem med en kompressor. 1.3 SammenligningsgrundlagDa de to anlægstyper er meget forskellige, er det også svært at lave en sammenligning, der ikke favoriserer den ene anlægstype. For at lave en sammenligning, der er så fair som mulig, er der lavet følgende antagelse: de to anlægstyper anvender samme størrelse vekslere (kondensator og fordamper). Denne antagelse lyder meget banal, men belyser problemstillingen med transkritisk CO2 meget godt. Da CO2 har temperaturglid gennem hele gaskøleren, er der ved indgangen af gaskøleren en meget større temperaturdifferens, hvilket bevirker, at der kan transporteres en større energimængde på det samme areal, end hvis der var tale om et kondenserende kølemiddel.
Figur 5: Temperaturforløb gennem kondensatoren (R290) samt den afsatte effekt
Figur 6: Temperaturforløb gennem gaskøleren (CO2) samt afsat effekt Af de ovenstående grafer kan det ses, at hvis der anvendes en kondensator med en temperaturdifferens på 10 K, vil den samme kondensator, hvis den anvendes som gaskøler, have en temperaturdifferens på 4,6 K. Dette er naturligvis en teoretisk betragtning, da design af disse to varmevekslere er meget forskelligt, men resultatet benyttes til at danne baggrund for behandlingen af måledata. Med de data, der er tilgængelige fra de to forsøgsopstillinger, kan der laves et grundlag for at lave en beregning på et helt transkritisk supermarked (køl og frost) samt for et supermarked med kaskadesystem. Ved det transkritiske anlæg bruges de målte data til at erstatte propananlægget fra kaskadeanlægget, sådan så frostdelen er den samme, men da der er tale om et system uden kaskadeveksler, er der ikke nogen temperaturdifferens over denne veksler, der kan skade systemets effektivitet.
Figur 7: Markering af frostdelen, der er identisk på begge systemer 1.4 SetpunkterDer er anvendt følgende setpunkter til de udførte test:
Omgivelsestemperaturen varieres på de to forsøgsanlæg. For det transkritiske anlæg sker dette ved at variere vandtemperaturen på kølevandskredsen for at simulere den varierende temperatur. For kaskadeanlægget er det ikke muligt at variere omgivelsestemperaturen, da kondensatoren er opstillet udendørs. Dette vurderes desuden at have meget lille indflydelse på resultaterne, da ventilatorerne styres efter et konstant kondenseringstryk på +30 °C, hvilket også er den mest brugte styringsform i branchen. Denne type styring anvendes, fordi det er nødvendigt at sikre tilstrækkelig drivtryk til ekspansionsventilerne i systemet, og fordi det er det, der traditionelt vælges. Derudover er der også en stor del tradition forbundet hermed. På det transkritiske anlæg er det nødvendigt med en styring af højtrykket, og det vurderes derfor, at det vil blive et variabelt tryk, der vil blive den normale metode, som vinder indpas i branchen. Når der anvendes CO2, er det ikke drivtryk til ekspansionsventilerne, der er den begrænsende faktor.
|
