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

Miljøvenlig iscremefryser med CO2-kølemiddel

2 Opbygning af kølesystem til CO2 iscremefryser

• 2.1 Systembeskrivelse kølesystem
• 2.2 Hovedkomponenter
• 2.3 Kompressor
• 2.4 Gaskøler
• 2.5 Intern varmeveksler
• 2.6 Trykstyringsventil
  • 2.6.1 Optimal trykstyring
  • 2.6.2 Konstant trykstyring
  • 2.6.3 Kapillarrør
• 2.7 Fordamper
• 2.8 Påfyldning af kølemiddel på anlægget

Anvendelse af CO2 som kølemiddel i en iscremefryser er oplagt af flere grunde.
CO2 er et naturligt kølemiddel uden afgift og således ikke underlagt udfasningsplaner. Samtidig er CO2 ikke brandfarligt, og man kan således placere ligeså mange iscremefrysere i fx en butik, som man ønsker uden at skulle lave sikkerhedsvurderinger osv.
Der er i den seneste årrække sket en mægtig udvikling i brugen af CO2 som kølemiddel. Der er i Danmark til dags dato bygget omkring 200 supermarkedsanlæg med CO2 som kølemiddel, og det forventes at der bygges yderligere 50 i år.
Bl.a. dette erfaringsgrundlag har resulteret i, at det i dag kan lade sig gøre at lave køling med CO2, der fuldt ud kan konkurrerer med HFC-kølemidler, når det drejer sig om energiforbrug.

I det følgende gives en mere detaljeret beskrivelse af den opbyggede og testede iscremefryser med CO₂. Det skal understreges, at det her beskrevne apparat er en prototype, hvilket naturligvis indebærer at ikke alt har kunnet beskrives så detaljeret, som det kunne ønskes. Det vurderes, at der efter eventuelle feltmålinger og optimering af systemet kan igangsættes en egentlig produktmodning af apparatet, hvilket bør indebære at en del komponenter erstattes af alternativer. Der er på denne baggrund under beskrivelserne af de enkelte komponenter givet et eller flere forslag til alternativer til den valgte løsning.

At lave kølesystemer med CO₂ kræver specielt, at der i design og udvælgelse af komponenter tages hensyn til det høje arbejdstryk for CO₂ kølesystemer.
Endvidere kræver det naturligvis, at komponenterne er specielt designet til CO2 som kølemiddel, således at disse fungerer optimalt og således udnytter kølemidlets egenskaber mest effektivt.

2.1 Systembeskrivelse kølesystem

Systemet består af en kompressor, 2 gaskølere i serie, et kapillarrør der varmeveksler med kompressorens sugeledning og en traditionel svøbfordamper.

Figur 1 System skitse

Det er valgt at satse på en simpel systemløsning, der i det store hele minder om et traditionelt kølesystem til iscremefrysere. Eneste forskel for et typisk anlæg er, at komponenterne er bygget til et højere tryk, og optimeret til CO2.

Figur 2: Kølekredsprocessen indtegnet i log p, h diagram.

Kompressoren komprimerer gassen op til ca. 77,5 bar, hvorefter den varme gas (ca. 120 °C) køles ned i den første gaskøler, og derefter nedkøles yderlige i den anden gaskøler, der er integreret i fryserens kabinet. Den afkølede gas ledes fra gaskøleren en i et kapillarrør, der sænker trykket i systemet, og derved bliver der dannet væske i kapillarrøret. Kapillarrøret er viklet omkring kompressorens sugeledning, og fungerer dermed som en intern varmeveksler, hvor den varmeveksler med sugegassen.
Herefter ledes væsken og gassen ind i fordamperen, hvor den fordamper og til sidst varmes ved varmeveksling med kapillarrøret inden den ledes til kompressoren.
Kølekredsprocessen er optegnet for en omgivelses temperatur på 30 ºC.

2.2 Hovedkomponenter

I det følgende ses en liste over de til prototypen valgte hovedkomponenter, og efterfølgende en generel beskrivelse af alle komponenter og mulige alternativer.

Tabel 1: Anlæggets hovedkomponenter

2.3 Kompressor

Det er valgt at anvende en éttrinskompressor fra Danfoss TN1410. Kompressoren er en hermetisk kompressor.
Denne kompressor er udviklet til CO2 inden for de seneste år, og er efterhånden optimeret, således at den fungerer fint. Den har indbygget pulsationsdæmper, og tidligere støjproblemer er blevet reduceret.
TN-kompressoren benytter eksisterende motor, men er udstyret med nye stempelringe og tykkere gods i indeslutningen. TN-kompressoren kan potentielt laves til næsten samme pris (ved masseproduktion) som en HFC-kompressor, idet den ikke indeholder flere dele.
Kompressorens størrelse er valgt udfra den formodede belastning på kølemøblet. Kompressoren yder ca. 500 Watt ved -15 ºC, og i denne applikation ligger fordampningstemperaturen noget lavere, men det skønnes at ydelsen er fin til formålet. At der ikke findes præcise data for lavere fordampningstemperatur skyldes at kompressoren endnu ikke er frigivet til kommerciel brug ved lavere fordampningstemperaturer.
I punktet tidligere nævnt (-15) har kompressoren en COP på 1,39, hvilket er højt sammenlignet med traditionelle hermetiske kompressorer i dette punkt. Dette er i øvrigt behandlet i konklusionen.
Kompressoren har et slagvolumen på 1,54 cm^3, hvilket ikke er meget, men fortæller om den høje volumetriske ydelse som en CO2 har.
Kompressoren kræver køling vha. en luftstrøm på 3 m/s, dette klares ved at lade ventilatoren på gaskøler 1 blæse henover kompressoren.

Figur 3 Kompressor TN1410 fra Danfoss

I den første del af projektet blev, der foretaget en grundig udredning omkring muligheden for, at få en kompressor med en såkaldt Vorhees port i siden af kompressorcylinderen, hvor kompressoren kunne efterfyldes med gas, der har et højere tryk end gassen der suges ind gennem sugeventilen. Fordelen ved dette kan indses ved at se på nedenstående figur.

Figur 4 log p, h-diagram med mellemtryk

På figuren ses, at der trykket sænkes fra punkt 3 ned til punkt 4, hvorefter væskens tryk i punkt 5 sænkes yderligere inden den ekspanderer i fordamperen. På denne måde får næsten kun væske i fordamperen, og ved at fører gassen i punkt 7 ind i en Vorhees-port spares også kompressorarbejde.

Figur 5 Skitse af kompressorcylinder med Vorhees port.

I større systemer som fx supermarkedssystemer findes typisk en mellemtryksreceiver, hvorfra væsken tilgår fordamperne og gassen tilgår sugesiden på kompressoren. I dette tilfælde ville det være hensigtsmæssigt at kombinerer en kompressor med Vorhees port med Metalfrios TFC- Thermostatic Fluid Control system. Dette er et system, hvor der på kapillarrøret sidder en lille receiver, der bl.a. sikrer maksimal fyldning af fordamperen. Herfra kunne der således suges gas gennem Vorhees porten.
Der blev udregnet en række forslag til placering af Vorhees porten i en Danfoss CO2 kompressor, og der er udført en række forsøg for at opnå et grundigt grundlag for at få produceret en prototype med denne port. Desværre skred tidsplanen, og det var ikke muligt at få Danfoss til at bygge en Vorhees port ind i deres kompressor.
Emnet er beskrevet yderligere i bilag 1.

2.4 Gaskøler

Gaskøler 1 er lavet af Bundy. Der er tale om ”wire on tube” model. I størrelsen passer denne ind i kompressorrummet på en traditionel iscremefryser. Foran gaskøleren er monteret en ventilator, der kører, når kompressoren kører.
Denne veksler er køles med den omgivne luft.
Gaskøler 2 er integreret i kabinettet, og køler således gassen de sidste grader inden denne ledes til kapillarrøret.
At gaskøler 2 er placeret i kabinettet, gør at denne formentlig kan sænke gassens temperatur yderligere.

Hvis der ønskes en højere effektivitet på den plads, der er til rådighed, er det også muligt at anvende en veksler i aluminium med MPE rør. Denne vekslertype kan dog give anledning til andre problemer med fouling pga. støv mm.

Figur 6 Den første del af gaskøleren er leveret af Bundy A/S. der er tale om en bukket wire on tube-”kondensator”. Både denne og kompressoren bliver kølet af en blæser, som også anes bagved.

2.5 Intern varmeveksler

Den interne varmeveksling øger både COP for kølesystemet og sikrer samtidig at der ikke kommer væske med tilbage til kompressoren. Dette sikres ved at overhede gassen før kompressoren, hvilket giver anledning til en højere afgangstemperatur fra kompressoren. Desuden sikrer den også kompressoren mod væskeslag under opstart.
Varmeveksling mellem kapilarrør og sugeledning, idet kapillarrøret er viklet omkring sugeledning og effekten er forstærket med varmeledende pasta.

Figur 7 Iscremefryseren set skråt ”bagfra”. På dette foto var sugeledning og intern varmeveksler endnu ikke isoleret. Derfor er der is på rørene. Man ser også sikkerhedsventil og tryktransducer (øverst til højre). Nederst til venstre er kompressorrummet.

2.6 Trykstyringsventil

Når CO2 anvendes som kølemiddel giver det en udfordring at styre højtrykket. I et traditionelt anlæg finder kompressoren og kondensatoren ”selv” ud ad hvad kondenseringstrykket skal være. Således at ekspansionsorganet kun skal styre trykket i fordamperen. Dette gøres typisk af et kapillarrør i en traditionel iscremefryser.
Med CO2 forholder det sig anderledes, når temperaturen ud af gaskøleren på CO2 kølesystemet overstiger 31 ºC. Her har man at gøre med en transkritisk fase, hvor temperatur og tryk er uafhængige af hinanden, man har altså en ekstra parameter at regulere med. Dette betyder at temperaturkurverne ikke er vandrette mere.
Da temperaturen ud af gaskøleren typisk bestemmes af omgivelsesluften, betyder det at kun trykket kan kontrolleres.
I det transkritiske driftsområde område findes til hver enkelt udgangstemperatur fra gaskøleren et optimalt gaskøler-tryk. Således kan der i mange situationer i det transkritiske område opnås højere COP ved at lade trykket stige en anelse Dette vises senere i afsnittet på en figur.

Når et CO2 system skal designes skal der således fastlægges på hvilken måde trykket styres mest effektivt. Der findes 3 strategier.

2.6.1 Optimal trykstyring

Denne løsning sikrer at du altid har det optimale COP for systemet ved at finde det optimale tryk der passer til den målte udgangstemperatur på gaskøleren. Denne løsning vil altid forsøge at få anlægget til at køre subkritisk, men finder så det optimale tryk, hvis dette ikke er muligt.

Denne slags ventil kan typisk være elektronisk styret, således at ventilen styres af en regulator, der måler temperatur og tryk efter gaskøler.

Alternativt har Danfoss udviklet en TBR-ventil (thermal back pressure regulator), der er en mekanisk proportional ventil, der styrer højtrykket ved en mekanisk proportionalregulering.

2.6.2 Konstant trykstyring

I denne løsning holder en mekanisk ventil trykket i gaskøleren konstant uanset udgangstemperaturen. Denne løsning er god, hvis du har den samme temperatur ud af gaskøleren, men ved afvigelser får systemet en noget dårligere COP.

Hvis der er stor variation af fordampningstemperaturen er dette også en bedre løsning, da en konstanttryksventil ikke bliver påvirket af ændringer.

2.6.3 Kapillarrør

Kapillarrør har været anvendt i traditionelle iscremefrysere i mange år, da det er en meget simpel og dermed billig løsning, der fungere godt under stabile konditioner. Anvendelse af kapillarrør til transkritisk drift er dog noget andet, da indgangen til kapillarrøret ligger i det transkritiske område, og det altså er et transkritisk fluid.
Dog tyder en model, vist i nedenstående figur, at kapillarrør faktisk er bedre end konstanttrykstyring.

Figur 9 Log p,h-diagram med forskellige strategier for styring af højtryk /1/

Forsøgene og beregningsmodellen der ligger til grund for denne graf viser altså tydeligt, at et korrekt dimensioneret kapillarrør er bedre en konstanttrykregulering ved variationer i temperaturen ud af gaskøleren, da denne ligger tættere på det optimale tryk./1/

Da et kapillarrør samtidig er en billig måde, at lave højtryksstyring vælges dette som løsningen i dette projekt.

Beregningen af længde på kapillarrøret i projektet er blevet foretaget med et program udviklet ved forsøgene vist i forrige figur.
Modellen bygger at der indtastes tryk og temperatur ind i kapillarrøret og ønsket fordampningstryk, og så regner modellen en længde på kapillarrøret ud/1/.
Modellen er ikke blevet afprøvet i stor stil, men vurderes at kunne give et fornuftigt bud på en længde og dimension af kapillarrør i dette projekt.

I projektet anvendes i første hug et kapillarrør med en diameter på 0,8 mm, og en længde på 8,4 meter.
Senere i afsnittet om laboratorieforsøg beskrives, hvorledes det ved første systemtest kunne konstateres af kapillarrøret nok var lidt for langt.
Derfor er den endelige længde på kapillarrøret 7,4 meter.

Figur 10 Ekspansionsprocessen i et log p,h-diagram

2.7 Fordamper

Fordamperen er integreret i kabinettet som i en traditionel iscremefryser. Fordamperen er lavet af rør, der kan modstå det høje tryk. Fordamperen er således trykprøvet til 70 bar. Således er eneste ændring i forhold til en traditionel fryser.

Prototypen er udstyret med en sikkerhedsventil, som åbner, hvis trykket på fordampersiden når over 65 bar.
Det er konstateret, at trykket i prototypen aldrig når op på dette niveau, heller ikke hvis fryseren bliver temperaturudlignet ved f.eks. 35 C.

Dette er dog en parameter der sikkert kan optimeres på, da CO2 har nogle fysiske egenskaber, der gør at fordampere specielt fremstillet til CO2 yder mere, og giver et mere effektivt system.
Typisk kan fordampningstemperaturen være op til 2-3 grader højere, hvis layoutet på luftsiden fastholdes, og rørene til CO2 optimeres.

2.8 Påfyldning af kølemiddel på anlægget

Kølesystemet er påfyldt med 265 gram CO₂ kvalitet 4.0.

Anlægget er fyldt efter følgende procedure:

1. Anlægget evakueres
2. Anlægget for-fyldes med CO₂ gas.
3. Hvis der er tvivl om hvad der er den rigtige fyldningsmængde, kan der startes med en fyldning man er sikker på er mindre end den nødvendige f.eks. 150 gram, og der kan derefter fyldes mere på efterhånden (mens maskinen er i drift). Den korrekte fyldning er nået når overhedningen er mellem 1 og 5 K ud af fordamperen. Det er vigtigt at sikre sig at anlægget er korrekte fyldt, da det ellers vil påvirke effektiviteten dramatisk. Der skal gøres opmærksom på at fyldeudstyr mm. skal være godkendt til trykket.
   

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

Version 1.0 Marts 2009, © Miljøstyrelsen.