Udvikling af et demonstrations- og testkøleanlæg, der anvender CO2 som kølemiddel
2 Projektets gennemførelse
2.1. Systemanalyse og valg af komponenter
Der er i projektet opstillet følgende overordnede krav til vandkøleaggregatet med CO2 som kølemiddel:
- Ingen væsentlig meromkostning ved anvendelse af CO2 sammenlignet med HFC
- Overordnede dimensioner på færdig unit skal være uændrede i forhold til HFC-units
- Effektivitet (energi) skal være på højde med den, der kan opnås ved anvendelse af HFC
- Komfortniveau skal være uændret i forhold til lignende eksisterende anlæg (samme ydelse, betjening etc.)
- Samme system og anlægsopbygning skal kunne anvendes til fremtidige anlæg med større kapacitet
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:
- Hvad forventes at blive de maksimale arbejdstryk, designtryk og trykprøvningstryk på anlægget?
- Anlægget skal kunne køre mest mulig tid som et underkritisk system. Dvs. når omgivelses temperaturen er lav nok, skal CO2 kunne kondenseres i gaskøleren / kondensatoren. Dette lader sig gøre når gaskøleren / kondensatoren kan køle højtryks CO2’en ned under 31° C. Ved drift i det subkritiske område hvor CO2’en kondenserer til væske, opnås langt den bedste virkningsgrad på anlægget.
- Hvordan klares oliehåndteringen i anlægget?
- Hvilke komponenter, der kan håndtere de krævede tryk, forventes det at kunne tilvejebringes?
- Hvilke relevante komponenter vil efterfølgende være til rådighed for masseproduktion?
- Vil disse komponenter kunne leveres med en fornuftig leveringstid og leveringssikkerhed?
- Vil komponenterne og anlægget kunne PED-godkendes (Pressure Equipment Directive) og være lovligt i henhold til standarderne?
- Kan anlægget produceres til en fornuftig pris, så det er kommercielt salgbart?
- Kan der bygges anlæg med større kapacitet med denne anlægsopbygning og kan man ligeledes skaffe komponenter til dette?
2.1.1 Løsningsforslag
De forskellige systemløsninger, som kunne være relevante, er vist ved nedenstående illustrationer:
2.1.1.1 Konstruktion med direkte ekspansion
Illustration 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 lavtryksreceiver
Illustration 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 selvcirkulation
Illustration 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.
Endvidere bliver kølemiddelfyldningen relativt stor.
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:
Der findes et optimalt gaskølertryk for ethvert transkritisk driftspunkt
Det er derfor nødvendigt, at kunne styre trykket på højtryksiden.
Afhængigheden af gaskølertrykket skal derfor undersøges i forhold til de aktuelle driftskonditioner for en chiller.
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
Version 1.0 Marts 2009, © Miljøstyrelsen.