– Miljøprojekt Nr. 1273 2009 – Udvikling af et demonstrations- og testkøleanlæg, der anvender CO2 som kølemiddel

Udvikling af et demonstrations- og testkøleanlæg, der anvender CO2 som kølemiddel

3 Komponentvalg

3.1 Kompressorvalg

Der er valgt en Bock RKX 26/31-2 CO₂ T-kompressor til projektet.
Valget er foretaget ud fra flg. argumenter:

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

Illustration 5 -– Kompressor

3.2 Ekspansionsventil og ventilstyring

Som 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 6a - ICMT gasventil med styring for transkritisk CO2

Illustration 6b - ICMT gasventil med styring for transkritisk CO₂

Illustration 6b - ICMT gasventil med styring for transkritisk CO2

3.3 Varmeveksler

Varmeveksler Coaxial exchanger type WVCI.
Varmeveksleren har to vigtige funktioner; den skal dels forøge anlæggets virkningsgrad, specielt under transkritisk drift, og dels sikre afkogning af kølemiddelvæske fra sugeledningen, der tilføres sammen med olien fra olieretursystemet.

3.4 Fordamper

Fordamper Coaxial exchanger type VCI.
Fordamperen arbejder efter modstrømsprincippet og bliver tilladt at kunne levere væske til sugesiden, der bliver opfanget i lavtryksreceiveren / sugeakkumolatoren.

3.5 Sugeakkumulator / receiver

Max. arbejdstryk 90 bar, trykprøvning 135 bar. Receiveren kan rumme hovedparten af anlæggets fyldning samt olie opløst i CO₂-væske.
Sugeakkumulatorens funktioner på dette aggregat er, at sikre kompressoren mod indtag af overskydende kølemiddelvæske fra fordamperen via sugeledningen og at opbevare CO₂ væske, hvori der er opløst olie. Olien ledes retur til sugeledningen og dermed til kompressoren via olieretursystemets magnetventil i bunden af receiveren.

3.6 Frekvensomformer

Til styring af kapaciteten på anlægget er valgt en styring af omdrejningstallet på kompressoren med en frekvensomformer.
En frekvensomformer er en dyr løsning, men den vurderes at være nødvendig på et anlæg af denne karakter med kun en kompressor uden kapacitetsregulering. Anlægget har en kølekapacitet på ca. 15 kW og skal kunne bibeholde denne kapacitet ved transkritisk drift.
Transkritisk drift forekommer når gaskøleren / kondensatoren ikke kan afkøle kølemiddelgassen til en temperatur under 31° C. Ved denne driftstilstrand falder anlæggets effektivitet med 20-40 % i forhold til subkritisk drift, alt efter anlæggets opbygning.
Det betyder at anlægget skal dimensioneres til at kunne yde de ca. 15 kW kapacitet ved transkritisk drift, men skal køre langt den overvejende tid subkritisk og dermed have 20-40 % overkapacitet. Dette forhold nødvendiggør kapacitetsregulering af systemet og kræver at den valgte kapacitetsregulering af anlægget er energieffektiv. At løsningen skal være energieffektiv udelukker et varmgas by-pass som mulighed og gør frekvensomformerdrift af kompressoren til den bedste løsning, selv om den er dyr.
Ved kapacitetsregulering af kompressoren kan der opretholdes en højere effektivitet (COP-værdi) under kapacitetsregulering end ved andre former for kapacitetsregulering på kompressor eller anlæg.

Der er valgt en Danfoss VLT som frekvensomformer til kapacitetsreguleringen, da denne lever op til følgende krav:

Frekvensomformeren skal kunne godkendes af kompressor- leverandøren
Den skal kunne styres efter signalet fra en føler placeret i vand ud af fordamper
Den er fra en anerkendt leverandør, der kan yde teknisk assistance på produktet fra dag til dag
Den er betjeningsvenlig og kendt blandt de fleste potentielle kunder til denne type køleanlæg
Kendt for at være af høj kvalitet på markedet

Der er valgt en Danfoss VLT FC 302/5000

3.7 Gaskøler

Model TTC – LPT 21.
Den her anvendte veksler virker som gaskøler ved transkritisk drift, hvor det på grund af en høj udelufttemperatur ikke er muligt at afkøle kølemiddelgassen i veksleren til en temperatur under 31° C.
Veksleren virker som kondensator når udelufttemperaturen tillader afkøling af kølemiddelgassen til 31° C.
Ved transkritisk drift er anlæggets kapacitet mellem 20 og 40% lavere end ved subkritisk drift og dermed er anlæggets effektivitet (COP) også betydeligt forringet.
Dette forhold betyder at gaskølerens kapacitet og effektivitet er af afgørende betydning for hele anlæggets effektivitet. Jo tættere på de 31° C udetemperatur gaskøleren kan arbejde under og holde gassen kølet ned til 31° C, jo mere effektivt er hele CO₂-køleanlægget, da man i længere tid kan arbejde med subkritisk drift.
Gaskøleren er til gengæld også en meget dyr komponent på anlægget. Vælges denne med stor effektivitet og kapacitet, bliver den også forholdsvis meget dyrere.
Et af de interessante testresultater bliver netop hvor meget af tiden anlægget kan holdes på subkritisk drift med den valgte gaskøler.

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 Rørforbindelser

Rørene udføres i rustfrit stål, der sølvloddes sammen, hvilket samlet set skulle billiggøre montagen ligesom det undgås at skulle male rørforbindelserne.
Der må ikke anvendes gevindsamlinger, og hvis det ikke kan undgås, bør disse efterfølgende loddes for at opnå tilstrækkelig tæthed.

3.9 Resultatforsøg

Der er gennemført test af aggregatet ved at det blev indbygget i et eksisterende varme/kølesystem
Den viste buffertank har monteret varmelegeme så man kan tilføre ekstra kølebelastning
I vandkredsen er der monteret måleudstyr

Billede: Rørforbindelser