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

Teknisk udvikling af chiller med CO2 som kølemiddel

4 Dimensionering og detailberegning

• 4.1 CO2’s egenskaber og transkritisk drift med CO2
• 4.2 Dimensionering af CO2-baserede køleanlæg
• 4.3 Anlæggets trykniveauer
• 4.4 Valg af samlemetode og materialer
• 4.5 Kompressorer
• 4.6 Oliehåndtering
• 4.7 Fordamper
• 4.8 Kondensator/ gaskøler
• 4.9 Intern varmeveksler (sugegasveksler)
• 4.10 Andre komponenter
• 4.11 Energioptimalt design
• 4.12 Styring af anlægget

4.1 CO2’s egenskaber og transkritisk drift med CO2

CO₂ er et sikkerhedskølemiddel i gruppe II (L1) med et drivhus-effekt-potentiale på 1. CO₂ er således både et sikkert kølemiddel at arbejde med, men også det miljømæssige mest forsvarlige kølemiddel. Der er ingen begrænsninger på opstillingssted og anvendelse, hvorfor CO₂ baserede køleanlæg er meget fleksible i deres anvendelse.

CO₂ arbejder typisk i området mellem trippelpunktet -55°C (5.6 bar) og det kritiske punkt +31°C (73 Bar). Ved temperaturer under det kritiske punkt (31°C) kan anlægget køre kondenserende ved højere temperaturer kører anlægget transkritisk.

CO₂ er tungere end luft og i det hele taget en ”tung” gas. Dette giver fordele i selv anlægget i form af mindre rør på gas-siden og lavere tryktab. Endvidere giver CO₂ både under fordampning og kondensering bedre varmeoverføring.

Udfordringerne med CO2 som kølemiddel ligger i væsentligt højere arbejdstryk (op til 100 bar) samt håndtering af høje tryk i anlægget når det er ude af drift (stilstandstryk). Anvendelse af sikkerhedsventiler op korrekte positioner i anlægget samt korrekt designede komponenter er essentiel for sikkerheden.

Endeligt ligger de primære udfordringer i udskilning af olie/ væske-dråber fra CO₂-gassen samt sikring af sikring af anlæggets COP ved høje temperaturer.

4.2 Dimensionering af CO2-baserede køleanlæg

Mange overvejelser har været lagt i design af anlægget. Anvendelse af mellemtryksreceiver, fordamperdesign, flertrinskompression, intern veksler, diverse styringsmetoder og meget andet har været vurderet. I forbindelse med denne vurdering er der gennemført en patentundersøgelse, hvor ca. 60 patenter er gennemgået og vurderet og aktive handlinger på området har sikret fremtiden for den valgte tekniske løsning.

Imidlertid er der valgt en løsning med et ét-trins-anlæg, oversvømmet fordamper, og lavtryksreceiver valgt som den mest pålidelige og mest energiøkonomiske løsning.

Kompressor-delen indeholder 3-8 kompressorer og er opbygget på fælles ramme med olie-udskiller, olieretur, oliekøling samt diverse sikkerhed for kompressorerne. Kondensatoren er luftkølet med adiabatisk befugtning og efter kondensatoren sidder ekspansionsventilen, der sikrer det korrekte tryk i kondensatoren/ gaskøleren. Kølemidlet sprøjtes ind i fordamperen, hvor væsken fordamper udvendigt på rør-bundet. Gennem væske udskilning sikres at kun gas suges tilbage til kompressoren.

Princippet for anlægget er vist nedenfor:

Figur 1: Det valgte anlægsprincip for prototype chilleren

Tilbageføring af olie sker gennem en sugegasventuri. Da anlæggets olieudskiller er meget effektiv er der kun tale om en lille mængden væske/ olie-blanding der føres tilbage i sugeledningen, hvorfor CO2-væsken fordamper i i sugeledning og i sugemanifolden, hvor olie-køleren ligger placeret.

De tekniske specifikationer for testanlægget er angivet nedenfor.

4.3 Anlæggets trykniveauer

Anlægget er designet til 100 bar på tryksiden og 90 bar på sugesiden. Dette betyder at anlægget kan holde fyldningen under stilstand og at der ikke behøves at lave specielle foranstaltninger i denne forbindelse. Sikkerhedsventiler er placeret på kompressorens suge- og trykside samt på fordamperen. Dette at alle komponenter under alle forhold er sikrede.

4.4 Valg af samlemetode og materialer

Hele anlægget er udført stål og anlægget er svejst sammen. Ved alle gevind anvendes tætningslim og alle anvendte pakninger er kompatible med CO₂. Tilslutningen af kompressorer sker ved anvendelse af diffusionstætte metalslanger og endvidere er kompressorerne semihermetiske i opbygning. Med disse valg sikres et hermetisk anlæg med meget lille risiko for lækager.

4.5 Kompressorer

Der er valgt semihermetiske kompressor fra Dorin. Dorin har mere end 10 års erfaring med stempel kompressorer til CO2 og har mere end 2000 kompressorer kørende med transkritisk CO2. Kompressorerne har et bredt arbejdsområde og bredt arbejdsområde og anvendes både i chillere, supermarkeder og varmepumper. Kompressorerne anvender PAG Breox 65 (opløselig med CO2). Kompressorerne har oliepumpe og er tryksmurte.

Der er målt niveauer for lydtryk for 4 uinddækkede kompressorer under drift. Målingerne viser 70-75 dba i 5 m. Vibrationerne er ekstrem små (ikke eksisterende)

Kompressorerne har vist meget pålidelig drift og der er ikke registreret nogen problemer med driften.

Der er målt virkningsgrader på kompressorerne og de ligger mellem 0,60-0,65, hvor trykforholdet ligger mellem 1,5-3.

På billedet ses kompressor tilsluttet med metal-slanger, slanger til oliekøl på fronten, olienieau-switch i krumtaphuset og sikkerhedsventil i topstykket.

4.6 Oliehåndtering

Oliehåndtering på CO₂ anlæg har historisk givet de største problemer. Normalt anvendes opløselig olie (PAG), der sikrer at olien returnerer fra sugesiden af anlægget tilbage til kompressorerne.

Først og fremmest er det vigtigt at anvende en olieudskiller, der er i stand til at udskille olien fra CO₂-gassen fra kompressorerne. Desto mindre olie der findes på anlægssiden desto mindre vil problemerne omkring oliehåndteringen blive. Olieudskillere, der fungerer på baggrund af densitetsforskelle mellem oliedråber og gas er generelt meget ineffektive med CO₂ fordi densitetsforskellene er for små. Derfor anvendes i dette tilfælde filter-baserede udskillere. På billedet ses et kompressor-modul med 4 kompressorer. Bagved kompressorerne ses 2 røde beholdere. Den venstre fungerer som olieudskiller, mens den højre fungerer som oliereservoir. Når der er olie-niveau i bunden af olieudskillerne ledes olien over i reservoir og herfra tilbage til kompressorerne. Det hele styres at lille min-PLC, der også giver alarm hvis der ikke er olie i kompressorernes krumtap-huse.

Udvikling af nyt system til oliehåndtering
Der har været testet oliesystem ved TI i Århus. Her er diverse filtre, ventiler og styringer testet.
Udskilleren udskiller olie ned til ca. 150-250 ppm.

Olieretur fra oversvømmet fordamper
Sugegas-venturi sikrer olieretur fra fordamper. Der er opstillet beregningsmodel for design af venturi som er kalibreret mod målinger. Endvidere har diverse ventiler været testet. Systemet fungere helt perfekt og er selvregulerende i forhold til variabel volumenstrøm.

Ekstern oliekøling af kompressorolie
Da CO2 er opløselig i olien vil oliens viskositet afhænge meget at oliens temperatur og dermed opløselighed. For at sikre optimale smøreegenskaber holdes olien mellem 40-65°C i kompressorens krumtap-hus. Dette sikres ved at anvendes varme i krumtaphuset samt ekstern oliekøl. Oliekøleren sidder placeret i sugemanifolden, hvorfor den også fungerer som ”overheder” for sugegassen, hvilket sikrer fordampning er væskedråber, hvis sådanne skulle returnere til kompressoren.

4.7 Fordamper

Der anvendes en oversvømmet ”shell and tube” fordamper med væskeseparator på toppen. Ved denne konstruktion sikres lavest mulige temperaturdifferencer og dermed den bedste energieffektivitet for anlægget. De meget høje varmeovergangstal ved pool boiling (høje reducerede tryk) udnyttes og overhedningsstyringen som anvendes ved tør fordampning undgås. Samtidig fungerer fordampervolumenet som receiver. Væskeseparatoren sikrer god væskeudskilning og eliminerer dermed risikoen for væskeslag til kompressoren.

Der er under forsøgene registreret en meget stabil (rolig) drift og væsentlig dæmpning mellem vandtemperaturer og sugetryk. Dette er en kolossal fordel for kompressor-styringen, hvor ind- og ud-koblinger kan reduceres. Endvidere er det muligt at styre tættere på vantemperaturer på 0°C uden risiko for frysning.

Figur 4: Layout af fordampersektion med forsøg med intern veksler samt sugegasventuri. Øverste på billedet til ventre ses HT-ventilen. På billedet til højre ses skueglas i fordamperen

Designet for fordamperen er lagt ud til 12/7°C med 4°C fordampning. Målingerne viser overensstemmelse med de teoretiske beregner og bekræfter dermed også de meget høje varmeovergangstal med kogende CO₂. Vandsiden er meget vigtigt og her vil der blive optimeret yderligere.

4.8 Kondensator/ gaskøler

Der er igennem projektet udviklet en model til design af gaskøler/ kondensator. Designet er ekstremt vigtigt for at sikre anlæggets kapacitet og virkningsgrad på de varmeste dage.

Kondensatoren er luftkølet og det er vigtigt at lave et lay-out ud som modstrøm. Dette gøres fordi man om sommeren under transkritisk drift gerne vil afkøle gassen så langt ned mod luftens tilgangstemperatur som muligt og om vinteren gerne vil opnå god og stabil underkøling af den udgående væske. Det er vigtig at matche kapacitetsstrømmene på rimelig vis på hhv. kølemiddel- og luftsiden. Normalt vil man køre med et væsentligt ”luftoverskud” således at opvarmningen af luft ligger omkring 10K. Imidlertid kan man med CO₂ acceptere opvarmning af på 15K uden det går ud over kondensatoren kapacitet/ kondenseringstemperatur. Herved opnås mindre luftmængder og lavere støjniveau (og mindre foot-print).

For kondensatoren er der også gevinst ved de høje overgangstal på kondenseringssiden, men da luftsiden primært er begrænsende ses dette ikke af slå væsentligt igennem. Man har talt meget og gennemskårne finner på luftsiden (for at forhindre varmetransport mellem den varme gas ind og den kolde afgang), men det vurderes ikke at være nødvendigt. Dog kan det overvejes at placere til- og afgang i modsatte ende af kondensatoren.

Det er relativt simpelt at nå temperaturdifferencer mellem udgående kølemiddel og indgående luft på 2-3 K.

For styringen af trykket i gaskøleren under transkritisk drift har man hidtil blot antaget at temperaturen ud af gaskøleren kan anvendes til beregning af det optimale tryk på højtrykssiden. Imidlertid viser undersøgelserne at denne fremgangsmåde er mangelfund, da man her ser bort fra gaskølerens karakteristik. Det har således været nødvendigt at udvikle nye algoritmer for at optimere driften.

Figur 5: Figuren viser 2 forskellige gennemregninger af en gaskøler

Figuren viser beregner for samme gaskøler. De stiplede linier viser forløb ved 78 bar, men fuldoptrukne viser et forløb ved 90 bar. Luftens tilgangstemperatur er 28°C (2K udgående). Som det ses fås en bedre afkøling af gassen når trykket hæves til 90 bar, hvilket også giver en forbedring af COP på ca. 15%.

Med adiabatisk køling og vil den højeste lufttemperatur være 28°C. Med det rette design af gaskøleren vil vi således aldrig komme over 30°C ud af gaskøleren.

4.9 Intern varmeveksler (sugegasveksler)

På testanlægget har der været anvendt sugegasveksler. Imidlertid har veksleren hverken energimæssigt eller kapacitetsmæssigt noget positiv effekt. Den anvendes kun for at sikrer en overhedning af gassen på sugesiden af kompressorerne (sikring mod væske). Der er i den endelige løsning valgt at integrere vekslerne i fordamperens væskeudskiller og med sugemanifoldens integrerede oliekøler vil der være fin balance på sugesiden. Dette er en elegant og billig løsning.

4.10 Andre komponenter

Billedet viser opbygningen er testanlægget. Anlægget er opbygget på en solid bundramme og med god plads til komponenterne således at diverse forsøg har, kunne gennemføres.

Figur 6: Et overblik over prototype chilleren, der er opbygget i projektet

Forrest står et kompressor-modul med 4 kompressorer og bagest er fordamperdelen placeret. Bagest til ventre ses vandsiden med 3-vejsventil og pumpe.

Anlægget indeholder tørrefiltre og skueglas.

4.11 Energioptimalt design

Samtlige komponenter spiller ind på anlæggets endelige effektivitet. Endvidere er samspillet mellem komponenter og styringen af anlægget væsentlig.

Valg af optimale kompressorer har direkte indvirkning på effektiviteten. Dette betyder at der selvfølge skal kigges på funktion, pålidelighed og serviceventilhed, men i allerhøjeste grad også på virkningsgrader. Der er målt isentropvirkningsgrader på kompressorerne. De første kompressorer, der blev testet lå relativt lavt. Imidlertid er der gennemført ændringer til ventiler således at kompressorerne nu ligger i området 0,60-0,65, hvilket er i den gode ende for denne størrelse af stempel kompressorer.

Anvendelsen af oversvømmede fordampere har direkte betydning for anlæggets effektivitet. Sugetrykket for kompressorerne kan holdes 5-7 K højere end for fordampere med tør-fordampning. Endvidere udnyttes de høje varmeovergangstal ved pool-boiling.

Optimalt design af gaskøler/ kondensator samt anvendelse af adiabatisk befugtning en gevinst på 6-8K, hvoraf de 4 K kommer fra adiabatisk befugtning. Totalt giver dette bidrag 15-20% på anlægget samlede COP.

Endeligt giver optimal styring af anlægget et væsentligt bidrag til den samlede COP. Det gælder optimal HT-styring, optimal blæser- og befugterstyring (herunder styring af kondenseringstryk) samt sugetryksstyring i forhold til indkobling af kompressorer i relation til det aktuelle behov. Styringen af anlægget er nærmere beskrevet nedenfor.

4.12 Styring af anlægget

Egenudviklede styringsalgoritmer er testet med stor succes i projektet. Der er anvendt en industriel PLC fra Beckhoff, hvor der softwaren er programmeret i struktureret tekst. Styringen er opdelt i objekter med følgende elementer:

Kompressor-pack

Kompressorernes indkobling styres efter sugetrykket med en simple PI-regulator med indlagte ”dødtider”. Der anvendes variabelt set-punkt efter fremløbstemperaturen på vandsiden og der er indlagt køretidsudligning for kompressorerne. Endvidere er sikkerhed i forhold til pressostater, trykgastemperatur, motorbeskyttelse, olietryk og olieniveau.

Oliehåndtering

Oliehåndteringen sikrer olieudskilning, oplagring af olien i reservoir samt levering af olie tilbage til kompressorer. Oliestyringen er opbygget således at der ledes olie fra udskilleren til reservoiret når der er niveau i udskilleren. Hver kompressor har switch for måling af olieniveau i krumtap-huset. Når der mangler olie ledes olie fra reservoiret til krumtap-huset. Endvidere er der indbygget sikkerhed ind for højt og lavt niveau således at kompressoren kan stoppes hvis olieniveauet ikke er korrekt.

Kondensator/ gaskøler

Blæserstyring for kondensatoren er udformet meget simpel. Kondensatoren køre r med relativt små luftmængder og det er besluttet at køre ned til 15°C kondensering. Herunder udkobles blæsere i trin hvor alle blæsere er stoppet ved 10°C (P-reg).

Befugter-styringen indkobles ved udetemperaturer over 22°C. Vandet styres gennem en puls-funktion og en magnetventil. Pulstid og periodetid er fundet gennem eksperimentelle forsøg.

HT-styring

Højtryksstyringen sikres gennem anvendelse af en ventil placeret mellem afgangen af kondensatoren og fordamperen. Ventilen styre efter en underkøling af væsken ud af kondensatoren ved sub-kritisk drift og efter et optimalt tryk ved transkritisk drift. Algoritmen for dette er udviklet og afprøvet gennem projektet.

Figuren nedenfor viser hvorledes kapaciteten falder ved stigende temperatur (t_gk_ud er kølemiddeltemp ud af gaskøler).

Figur 7: Styring af trykket i kondensatoren/ gaskøleren ud fra afgangstemperaturen på kølemiddelsiden

Som det ses kan kapacitets-tabet mindskes ved at hæve trykken. På den midterste kurve hæves trykket kontinuert fra 74 bar til 86 bar. Her opnås en behersket reduktion af ”tabet”. Denne kurve viser den COP optimale måde at gøre det på (dette er Advansor’s model)

Den øverste kurve viser at det næsten er muligt at holde konstant kapacitet hvis trykket hæves op til 98 bar – det koster dog på COP.

Øvrige

Kommunikation til bruger samt overvågning er implementeret på PLC-platformen. Endvidere er der udformet et servicemode, hvor en montør har mulighed for at få adgang til de vigtigste parametre i styringen. El-tavlen er opbygget således at der er muligheder for udvidelse således at vandsidens pumper, ventiler osv. kan styres. Dette alt efter de aktuelle behov.

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

Version 1.0 April 2009, © Miljøstyrelsen.