Miljøprojekt nr. 1273, 2009 Udvikling af et demonstrations- og testkøleanlæg, der anvender CO2 som kølemiddelIndholdsfortegnelse
ForordNærværende rapport beskriver projektet ” Udvikling af et demonstrations- og testkøleanlæg, der anvender CO2 som kølemiddel”. Rapporten er en kortfattet gennemgang af de tekniske analyser, beregninger og forsøg, der er gennemført i projektet samt en kort beskrivelse af det udviklede aggregat. Formålet med projektet er at finde frem til et aggregat, som benytter et kølemiddel der ikke, som ammoniak og propan (giftigt og eksplosivt), afholder brugerne fra at skifte til et naturligt kølemiddel. Projektet er økonomisk støttet af Miljøstyrelsen. Projektets organisation består af følgende: Christian Berg A/S
Alberg Teknik A/S (Automatik)
Cooling Consult A/S (Rådgiver)
Der skal fra projektlederens side rettes en tak til projektgruppen samt naturligvis til Miljøstyrelsen. Mogens Grube Januar 2008 Sammenfatning og konklusionerDenne rapport beskriver design, opbygning og test af et prototype- vandkøleaggregat med CO2 som kølemiddel. Projektet har vist at visse komponenter er relativt svære at skaffe til transkritiske CO2-systemer. Specielt var kompressorer af en rimelig kvalitet stort set umulige at skaffe. Der er i projektet anvendt en semihermetisk stempelkompressor. Kompressoren (motoren) er forsynet med en frekvensomformer, der gør det muligt at kapacitetsregulere. Andre komponenter, som ligeledes har været svære at skaffe, er motorventilen og trykbeholder samt fordamperen, varmeveksleren og gaskøleren / kondensatoren. Tillige skal nævnes at leveringstiderne også har været meget lange; kompressoren havde f.eks. en leveringstid på 1 år. Den nævnte motorventil styres af en specialregulator. Modsat normale kølesystemer reguleres motorventilen ikke i henhold til fordamperen, men ud fra gastemperatur og -tryk i gaskøleren (kondensatoren). Styringen får også et tryksignal fra trykket efter fordamperen, dvs. sugeakkumulator/receiver- trykket. Der er i projektet gennemført en række teoretiske analyser af forskellige systemløsninger og der er afslutningsvis opbygget en prototype, der er testet efter gældende standard. Den gennemførte prøvning af aggregatet viser en COP, i henhold til normal standard, der ligger på 3,4 – 4,0 hvilket ikke umiddelbart er tilfredsstillende. Men taget i betragtning, at det er en prototype, der efterfølgende bør optimeres, må resultatet betragtes som værende relativt fornuftigt. Forbedringsforslag:
En samlet opsummering på projektets resultater: Det er i projektet lykkedes at konstruere en prototype med CO2 som kølemiddel, der, såfremt de kommercielle forudsætninger (billigere komponenter) er til stede, med visse tekniske justeringer kan sættes i en egentlig serieproduktion. Summary and conclusionsThis project report describes design and test of a prototype chiller unit with CO2 as refrigerant. The fact that the transcritical system operates at a very high pressure has made it very hard to find the required main components applied in the prototype (compressor, heat exchangers, motor valves and relieves) - and at competitive prices. The delivery time has been extremely long for most components - for instance, the compressor had a delivery time of 1 year. The motor valve applied in the system is controlled by the pressure and the temperature after the gas cooler (air cooled condenser). During the course of the project, a number of system solutions were analysed and at the end of the project a prototype was built and tested. The tests carried out on the unit show that the COP is 3.4 – 4.0, which is not immediately satisfactory. However, considering the fact that the chiller unit is a prototype which will be optimised at a later stage, the result obtained now is relatively reasonable. Proposal for improvements:
Summary of Project result:The project constructing a prototype chiller with CO2 has been a success. Provided that the components are available at competitive prices and effectuating some minor technical adjustments, it will be possible to start production of a CO2 chiller unit. IndledningI forbindelse med udfasning af HFC’erne fra 1. januar 2007, er der et behov på det danske kølemarked for nye og bedre løsninger med naturlige kølemidler, som erstatning for de kraftige drivhusgasser. Allerede nu og 2-3 år frem vil der sandsynligvis opstå et vakuum på det danske kølemarked med færre udbydere af produkter, der på en omkostnings- og energieffektiv måde kan leve op til de gældende regler. Dette skyldes at markedet i Danmark, der jo som bekendt har valgt at gå enegang, ikke er stort nok til at de store udenlandske producenter vil fremstille og udvikle de nødvendige komponenter/aggregater, der behøves på det danske marked. Udfordringerne i forbindelse med konstruktion af vandkøleaggregater der anvender CO2 som kølemiddel ligger i: at anlæggene opererer med et højt arbejdstryk; at energiforbruget er højt; at sikre et effektivt olieretursystem og endelig at konstruere aggregatet af komponenter, der sikrer en konkurrencedygtig pris på det færdige produkt. En undersøgelse af brugerne viser at en stor part af dem vil foretrække CO2-aggregater, især hvor der er tale om udskiftning af eksisterende anlæg. CO2 har, sammenlignet med de øvrige naturlige kølemidler som kan anvendes i forbindelse med vandkøleanlæg (chillere), flere fordele. CO2 er ugiftig og ubrændbar. Dette betyder, at der ikke behøves specielle anordninger mht. alarmer, nødventilation, brandsikring osv. Samtidig havner kølemidler i gruppe 2 (de ufarlige kølemidler), hvilket er en gevinst mht. design, konstruktion, service og vedligehold. 1 ProjektindholdProjektet blev inddelt i 5 faser med følgende aktiviteter:
Projektet er inddelt med systemanalyser og der er udarbejdet en overordnet kravspecifikation, som danner grundlag for det videre arbejde i projektet.
Efter fastlæggelse af kravspecifikationen er kølesystemets design fastlagt, og der er undersøgt flere alternativer i denne fase - bl.a. om systemet skulle opbygges som et direkte ekspansionssystem, lavtryks receiversystem eller system med oversvømmet fordamper, væskeudskiller og selvcirkulation. Designet skulle ligeledes kunne skaleres op, således at de indhøstede erfaringer kan anvendes på anlæg med større kapacitet.
Med udgangspunkt i foregående faser er der fastlagt, hvilke komponenter, der skal anvendes til prototypen. Fokus har bl.a. været lagt på designet af kompressoren, styring af olieretursystemet og ekspansionsventilen.
Med de udvalgte komponenter er der opbygget en prototype inklusive styring, som efterfølgende er testet ved de dimensionerende betingelser i det omfang, det var muligt.
Projektets resultater vil blive formidlet til kølebranchen og afslutningsvis er projektet præsenteret i nærværende rapport. 2 Projektets gennemførelse2.1. Systemanalyse og valg af komponenterDer er i projektet opstillet følgende overordnede krav til vandkøleaggregatet med CO2 som kølemiddel:
Aggregatet skal levere koldt vand til luftkonditionering og til proceskøling ved de typisk anvendte driftsparametre 7º C frem/12º C retur. Der anvendes, hvis ikke andet er nævnt, en fast fordampningstemperatur på 3º C svarende til et fordampertryk på 37,7 bar. Noget af det første, der skulle afklares ved projektets start var, hvordan testanlægget skulle opbygges ud fra hensyn til:
2.1.1 LøsningsforslagDe forskellige systemløsninger, som kunne være relevante, er vist ved nedenstående illustrationer: 2.1.1.1 Konstruktion med direkte ekspansionIllustration 1 – Direkte ekspansion Denne anlægsopbygning er i princippet meget lig den velkendte opbygning af små køleanlæg med syntetiske kølemidler; der er dog den afgørende forskel at der er en trykstyringsventil på afgangen af gaskøleren, en mellemtryksbeholder og en ekspansionsventil, der styrer fordamperen. 2.1.1.2 Konstruktion med lavtryksreceiverIllustration 2 – Lavtryksreceiversystem
Fordelen ved denne anlægsopbygning er, at der kun anvendes en reguleringsventil, da gasvæskeblandingen efter trykstyringsventilen ledes direkte gennem fordamperen uden anden styring. Den overskydende væske blandet med olie opsamles i en lavtryksreceiver efter fordamperen. Dette er umiddelbart en billigere anlægsopbygning i første omgang, men der opstår til gengæld et problem med at få olien returneret til kompressoren, da olien vil blive fanget og opkoncentreret i lavtryksreceiveren. 2.1.1.3 Konstruktion med oversvømmet fordamper med selvcirkulationIllustration 3 - Oversvømmet system
Denne konstruktion vil givetvis sikre den bedste udnyttelse af fordamperen, men øger aggregatets højde, da der er specifikke krav til den fysiske højdeforskel mellem væskeudskiller og fordamper. Den samme problematik ved denne opbygning, med at få tilbageføring af olie til kompressoren fra lavtryksseparatoren, gør sig gældende ved opbygningen med lavtryksreceiver. 2.2 Valgt anlægsopbygning:Valget er faldet på anlægsopbygning med lavtryksreceiver af følgende årsager: Det er øjensynligt den billigste opbygnings måde for et transkrisk køleanlæg af de størrelser og den type (chiller-unit med en fordamper), der undersøges i dette testanlæg. Det virker sandsynligt, at der kan laves et funktionelt olieretursystem til anlægget. Systemet stiller ikke nogen krav til en separatorplacering med min. højde over fordamperen for at holde selvcirculationen af kølemiddel i fordamperen i gang. Udnyttelsen af fordamperen vurderes til at blive næsten på højde med den, der kan opnås i et oversvømmet system og bedre end den, der vil gøre sig gældende i et direkte ekspansionsanlæg. Anlægget kræver ikke nogen styring af fordamperen men kan nøjes med kapacitetsstyring, gaskøler- / kondensatorstyring og oliereturstyring. Anlægget vil øjensynligt være mere sikkert mod væskeslag i kompressoren end et direkte ekspansionsanlæg. Det er meget svært at styre en direkte ekspansionsfordamper med CO2 som kølemiddel, så der med sikkerhed ikke kommer CO2 på væskeform i sugeledningen ved voldsomme opkog af kølemiddel i fordamperen. Voldsomme opkog er en nærliggende mulighed ved kapacitetsændringer på anlægget og disse opkog vil pga. CO2’s termodynamiske egenskaber ske mere momentant og fra væsken helt ned i ”bunden” af fordamperen lige efter ekspansionsventilen. Dette opkog kunne ”skyde” en del af den væske, der står i fordamperen, ud i sugeledningen ved hurtige kapacitets skift på systemet. Der er gennemført og rapporteret en lang række danske og internationale undersøgelser af, hvorledes COP-værdien i transkritiske CO2 -anlæg udover fordampningstemperaturen afhænger af trykket i gaskøleren, afgangstemperaturen fra gaskøleren, den interne varmeveksler og kompressorvirkningsgraden. Disse forhold er i høj grad relevante at forholde sig til, når et køleanlæg skal virke i et bredt og varieret driftsområde. Konklusionen er entydigt at:
Det er derfor nødvendigt, at kunne styre trykket på højtryksiden. Disse betragtninger, samt ønsket om et aggregat som er relativt let at opbygge, med simpel styring og høj driftssikkerhed, førte os frem til nedenstående opbygning. Illustration 4 -– Valgt anlægsopbygning 3 Komponentvalg
3.1 KompressorvalgDer er valgt en Bock RKX 26/31-2 CO2 T-kompressor til projektet. Kompressorleverandøren er en stor udbyder af kølekompressorer, der arbejder seriøst med udviklingen af kompressorer for CO2 transkritisk drift. Kompressorens kapacitet er passende for den størrelse testanlæg der ønskes. Kompressoren behøver iflg. leverandøren ingen olieudskiller, da olieudkastet fra denne kompressormodel skulle være meget lavt. Kompressoren kræver ingen oliekøler, som nogle af de alternative kompressorleverandører kræver til deres kompressorer. Kompressoren kan køre med et med variabelt omdrejningstal i et meget stort variationsområde, som giver mulighed for et fornuftig kapacitetsreguleringsområde (600 til 3600 rpm) ved kapacitetsstyring via en frekvensomformer. Dette giver et kapacitetsreguleringsområde på ca. 17 % til 100 %. Iflg. leverandøren vil kompressoren senere kunne leveres som en standardunit med påbygget frekvensomformer til kapacitetsregulering. Illustration 5 -– Kompressor 3.2 Ekspansionsventil og ventilstyringSom ekspansionselement er valgt en Danfoss ICMT 20-A motorventil med ICAD 600S aktuator og den tilhørende EKC 315 X-styring. Motorventilen styres iht. gaskølerens tryk og gas afgangstemperatur for at give anlægget optimal COP værdi under transkritisk drift. Ekpansions / gasstyrings ventil: Systemet sælges kommercielt til udvalgte kunder, der skønnes at vide nok om transkritiske CO2-køleanlæg til, at de ville kunne anvende systemet på de CO2-køleanlæg, de bygger. Disse kunder skal ligeledes kunne acceptere, at der stadig kan være detaljer i styringen, som endnu ikke er helt færdigudviklet. Der findes muligvis andre ventiler på markedet i kemi- eller dampsektoren, der vil kunne anvendes, men ikke med en tilhørende styring, der kan håndtere at arbejde i både det transkritiske og det subkritiske område med indbygget optimering af COP-værdien for CO2-køleanlæg. Illustration 6a - ICMT gasventil med styring for transkritisk CO2
Illustration 6b - ICMT gasventil med styring for transkritisk CO2 3.3 VarmevekslerVarmeveksler Coaxial exchanger type WVCI. 3.4 FordamperFordamper Coaxial exchanger type VCI. 3.5 Sugeakkumulator / receiverMax. arbejdstryk 90 bar, trykprøvning 135 bar. Receiveren kan rumme hovedparten af anlæggets fyldning samt olie opløst i CO2-væske. 3.6 FrekvensomformerTil styring af kapaciteten på anlægget er valgt en styring af omdrejningstallet på kompressoren med en frekvensomformer. Der er valgt en Danfoss VLT som frekvensomformer til kapacitetsreguleringen, da denne lever op til følgende krav:
Der er valgt en Danfoss VLT FC 302/5000 3.7 GaskølerModel TTC – LPT 21. Den valgte gaskøler / kondensator skal kunne leve op til følgende krav: Max. arbejdstryk: 90 bar Testtryk: 135 bar CO2-gas ind i køler: 94° C og 87 bar CO2-gas ud af køler: 35° C og ca. 86,5 bar ved 30° C omgivelsestemperatur og luftfugtighed svarende til danske konditioner. 3.8 RørforbindelserRørene udføres i rustfrit stål, der sølvloddes sammen, hvilket samlet set skulle billiggøre montagen ligesom det undgås at skulle male rørforbindelserne. 3.9 Resultatforsøg
|