Miljøvenlig iscremefryser med CO2-kølemiddel
3 Laboratorieforsøg
Der er gennem projektet udført en række laboratorieforsøg, der har haft til hensigt at finde optimal kølemiddelfyldning, bestemme optimal længde af kapillarrør og endvidere at kontrollere fryserens funktionsduelighed.
Forsøgene er delt op således, at der i første omgang er kørt 2 systemtests med en tom fryser og 100 % køretid for kompressoren, således at der kunne optimeres på kølesystemet.
Herefter er fryseren pakket med prøvepakker og fryseren har kørt termostatdrift. Disse funktionsforsøg er udført for at undersøge funktionsduelighed for fryseren (kan den holde pakkerne kolde), og kortlægge energiforbrug.
På nedenstående figur ses en skitse af systemet, hvor en række temperaturmålepunkter T1 – T8 er indtegnet. For alle forsøg gælder at disse temperaturer at blevet logget.
Figur 11 Temperaturmålepunkter
3.1 Systemtests
3.1.1 Ved +22 ºC
Testen foregår ved ca. +22 ºC omgivelsestemperatur og kortsluttet termostat (dette betyder 100 % køretid for kompressor). Fryseren fungerer fint, og lufttemperaturen i fryseren kommer helt ned på -28,5 ºC.
Figur 12 Temperaturkurver for kølesystem og lufttemperatur i fryseren ved kørsel ved +22 ºC.
3.1.2 Ved +34 ºC
Testen foregår ved +34 ºC for at afprøve kølesystemet ved skærpede temperaturforhold. Metalfrio ønsker at fryseren skal kunne fungere ved denne temperatur og måske ved endnu højere omgivelsestemperatur. Her kommer kølesystemet virkelig ud for en hård prøve, som er speciel hårdt for anlæg med CO2-kølemiddel på grund af det lave kritiske punkt (+31 ºC).
Ved kontinuerlig kørsel kommer lufttemperatauren ned på – 17,50C, som er lige i underkanten af det krævede (-180C eller derunder).
Figur 13 Temperaturkurver for kølesystem og lufttemperatur i fryseren ved kørsel ved +22 ºC.
Figur 14 Log p,h-diagram med kredsprocessen ved +34ºC. Screen-dump fra PC
Efter systemtestene evalueredes data med det formål at analysere kølesystemet og foretage mindre justeringer.
Det vurderes ved hjælp af data fra kørsel ved +340C, at der skal foretages en mindre justering af kapillarrøret, idet det vurderes at være for kort. Dette er beskrevet i tidligere afsnit.
Derudover kørte systemet meget godt, specielt set i betragtning af, at der er tale om et første forsøg.
3.2 Funktionstests med energimålinger
For begge tests gælder at de så vidt muligt er udført i henhold til EN ISO 23953 (tidligere EN 441). Fryseren er pakket i henhold til standarden med prøvepakker som foreskrevet i standarden.
Temperaturen er målt i 24 af prøvepakkerne fordelt i fryseren som standarden foreskriver.
Figur 15 Prøvepakker i fryser
Figur 16 Begge ender af lågene blev tætnet med tape, da måleudstyr gik gennem her.
Figur 17 Kompressorrum lukket
3.2.1 Ved 25 ºC
Testen foregår ved 25 ºC omgivelser, og fryseren kører termostatdrift. Som sådan klarer systemet testen meget fint. Ingen prøvepakker bliver på noget tidspunkt varmere end -17,2 ºC, hvilket er ok, da standarden foreskriver at pakke temperaturen på den varmeste pakke ikke må overskride -15 ºC. Dog ligger el-forbruget meget højt, da kompressoren har en køretid på ca. 82 %. Samlet elforbrug på et døgn er 6,88 kWh. Dette diskuteres senere.
Figur 18 Kurverne viser varmeste og koldeste pakke, samt et gennemsnit af alle pakker.
Figur 19 Kurven viser effekt optaget i kompressor og ventilator
Figur 20 Grafen viser temperaturerne rundt i kølekredsen, samt lufttemperaturen i fryseren
Figur 21 Kredsprocessen ved 22 ºC i et log p,h-diagram.
Det kunne konstatere at pakkerne øverst i fryseren var noget varmere end pakkerne i midten og i bunden af fryseren. Derfor er i nedenstående lavet en graf der viser gennemsnitstemperaturerne for de øverste pakker sammenlignet med pakkerne i midten og i bunden.
Figur 22 Temperaturgradient i møblet
Det kan her ses, at der er en temperaturgradient i møblet på ca. 7 grader, dette skyldes dårlig luftfordeling i fryseren, og at pakkerne øverst modtager varme fra omgivelserne.
For at undersøge sagen lidt nærmere ses på temperaturfordelingen blandt de 9 øverste pakker. I nedenstående graf er disse afbilledet. Første bogstav, Ø, refererer til at det er en pakke øverst. Andet bogstav referer til om pakken ligger i midten eller til højre eller venstre, når fryseren ses forfra. Tredje bogstav referere til om pakken ligger forrest i midten eller bagerst.
Figur 23 Temperaturfordeling øverste pakker
Udfra grafen ses tydeligt, at de 3 pakker, der ligger i midten af fryseren set fra siden, ligger væsentligt varmere i temperatur end de øvrige 6 pakker der alle ligger op ad hhv. for- og bagside.
3.2.2 Ved 30 ºC
Testen udføres på præcis samme måde som foregående test. Varmeste pakke bliver i denne test -17,4 ºC, hvilket er ok. Dog ligger el-forbruget meget højt, da gangtiden for kompressor og ventilator er 100 %. Dette giver et el-forbrug på et døgn på ca. 8,64 kWh
Figur 24 Kurverne viser varmeste og koldeste pakke, samt et gennemsnit af alle pakker.
Figur 25 Kurven viser effekt optaget i kompressor og ventilator
Figur 26 Grafen viser temperaturerne rundt i kølekredsen, samt lufttemperaturen i fryseren
Figur 27 Kredsprocessen ved 30 ºC i et log p,h-diagram.
3.3 Vurdering og diskussion af resultater
Elforbruget ligger højt i de 2 funktionstests. På en traditionel iscremefryser ligger elforbruget vel maksimalt på ca. 3 - 4 kW pr døgn. Derfor er gennemført yderligere en test ved 25 ºC omgivelsestemperatur. I denne test er termostaten stillet 2 grader højere i temperatur, således at varmeste pakke kommer til at ligge på -15 ºC, hvilket er acceptabelt i forhold til standarden. Endvidere er fjernet et pakkelag, således at de øverste pakker ligger en pakkehøjde lavere. Dette er gjort, fordi fryseren ikke har nogen entydig lastegrænse.
Ved disse ændringer får ved 25 ºC en gangtid på ca. 50 %, hvilket giver et forbrug på 4,44 kWh pr døgn. Dette er bedre, men stadig lidt højt.
Ses på den nye test får de øverste pakker en gennemsnitstemperatur på ca. -15,5, hvilket er OK, da en pakke ikke må være varmere end 15 ºC, men der optræder stadigvæk en temperaturforskel mellem pakkerne øverst og pakkerne i midten og bunden på ca. 6 grader.
Således er der noget der tyder på, at vi har et kabinet, hvor der er en række kuldebroer i toppen. Dette illustreres af figur 21 og 22.
I begyndelsen af projektet blev der målt på en Caravell Classic iscremeboks, med 350 liter nettovolumen. Denne forbrugte ved +35 C et energiforbrug på 4,9 kWh/døgn (se testrapport i bilag 2). Det var meningen, at dette kabinet skulle være basis i projektet. Men på grund af mange ændringer valgte Metalfrio, at basere projektet på deres nyudviklede kabinet med nye låg, fordi dette kabinet udgør ”topmodellen”.
Dermed har vi desværre ikke direkte sammenlignelige målinger med det gamle og det nye kølesystem. Der er endvidere noget, som tyder på, at det nye kabinet har væsentlig større kuldebroer omkring lågerne foroven i fryseren. Dette illustreres blandt andet af, at forskellen mellem varmeste og koldeste pakke er lidt større i det nye kabinet, end det var i det gamle kabinet (hhv. 8K og 7K)
Herefter kigges på kølesystemet for at undersøge, hvilken COP det opererer med. COP værdien findes ganske simpelt ved for de 2 driftsområde i funktionstesten (+25 ºC og +30 ºC) at sammenligne en udregnet køleydelse med det målte effektoptag for kølesystemet.
At beregne køleydelsen er behæftet med nogen usikkerhed, men disse forsøges beskrevet senere
I nedenstående ses COP værdier for de 3 forsøg beskrevet i rapporten.
| Omgivelsestemperatur | Effektoptag [W] | Køleydelse [W] | COP [-] |
| 25 | 355 | 258 | 0,7267606 |
| Ny 25 | 355 | 330 | 0,9295775 |
| 30 | 360 | 361 | 1,0027778 |
Effektoptaget kan ikke diskuteres. Køleydelsen er beregnet og kan således diskuteres, og er derfor behæftet med nogen usikkerhed. Største usikkerhed er behæftet på trykmålingen af trykket i gaskølerne. Her måles trykket mellem de 2 gaskølere. Er tryktabet i gaskøler 2 stort, kan det påvirke COP.
Endvidere kan der være usikkerheder på temperaturmålingerne.
En vurdering af COP værdierne er, at disse ligger fornuftigt i forhold til andre kompressorer med fx HFC-kølemidler ved de samme konditioner.
Yderligere forbedringstiltag kunne være at forbedrer luftstrømmen gennem gaskøler 1 ved at placerer en ledeplade i forbindelse med ventilatoren.
Endvidere kunne yderligere tests måske give et helt klart billede af om kapilarrørslængden er helt perfekt.
Figur 28 Bemærk isen rundt i kanterne
Version 1.0 Marts 2009, © Miljøstyrelsen.