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

Teknisk udvikling af chiller med CO2 som kølemiddel

6 Målinger i laboratoriet

• 6.1 Målepunkter
• 6.2 Funktionstest
• 6.3 Måling af kompressorvirkningsgrader
• 6.4 Adiabatisk køling af kondensator sikrer kondenserende drift og høj COP
• 6.5 Shocktest
• 6.6 Performance test / langtidstest
• 6.7 Frikøling

Testanlægget opstilles på Teknologisk Institut i Århus. En test-plan for laboratorietesten er udarbejdet. Anlægget er opstillet og tilsluttet vandkredsen og kondensatoren. Måleudstyr er monteret. Anlægget har i perioden maj-oktober 2007 undergået følgende test:

• Funktionstest i relation til oliehåndtering, ventiloperation osv. Test af reguleringsventiler samt optimering af ventil-dyser
• Test af PLC-baseret styring samt test af diverse algoritmer for kompressorstyring og ventilstyring
• Reduktions af støj og vibrationer
• Test af kompressorer herunder kapacitet og virkningsgrad
• Test af fordamper – termisk virkningsgrad (redesign og ombygning)
• Test af kondensator – termisk virkningsgrad (redesign, ombygning + alternativ leverandør)
• Validering af principper for adiabatisk befugtning af kondensator
• Validering af principper for integration af frikøling

6.1 Målepunkter

Der er placeret målepunkter på alle relevante positioner. Bilag 1 viser en oversigt over målepunkterne. Temperaturer og tryk måles på kompressoranlægget. Figuren nedenfor viser placeringen af tryktransmittere og temperatursensorer.

Figur 10: Placering af målepunkter

Endvidere målestemperaturen af olien retur fra reservoir (udvendig på rør) olietemperatur på oliepumpe ind og ud (2 følere pr kompressorer placeret udvendigt på rør). Således at oliens temperatur følges.

Kapaciteten af anlægget måles vha. flow og temperatur på vandsiden, men der måles også kølemiddel, således at der er mulighed for dobbeltbestemmelse af kapaciteten. Endvidere måles effektforbruget ved at måle ampereforbruget til chilleren. Således kan COP’en for anlægget beregnes. Støjmåling foretages af Teknologisk Institut med håndholdt støjmåler.

6.2 Funktionstest

Anlægget evakueres og der påfyldes olie. Det kontrolleres at kondensatoren er funktionsdygtig. Der påfyldes CO₂ på fordamperen. Herefter startes en kompressor og højtrykspressostaten testes. Herefter testes vandkredsen samt alt måleudstyr. Nu er anlægget klar til test.

Det indledende forløb mht. funktion har været følgende:

1. Test af kondensatorluft:
   • Test af kondensatorblæsere samt styring on/off og med VLT
2. Test af vandkredse:
   • Drift af pumpe
   • 3-vejs-ventil, check af at 3-vejs-ventil står helt åben mod fordamper
3. Korrekt funktion af ICMT iagttages:
   • Start af én kompressor (manuel)
   • Test af ICMT i automatik ved at ændre kondensatorblæsere
4. Kompressorstyring:
   • Pumpe og 3-vejs-ventil på vandsiden gøres fri
   • Vandretur holdes konstant på 8°C (TI’s system)
   • Indkobling af kompressorer observeres ved sænkning er returtemperatur
   • Vand fremløbstemperatur og sugetryk, holdes sætpunktet?
   • Sugetryk observeres – anlægget standes, hvis trykket falder under (0°C)
5. Kompressordrift:
   • Kompressorsdrift stabil og vibrationsfri?
   • Olieudskilning og olieretur verificeres (switche og magnetventiler)
   • Oliekøling (ved 1-4 kompressorer i drift) – måling af temperaturer
6. Olieretur fra fordamper
   • Skueglas i fordamper og sugeledning observeres
   • Temperatur af sugegas måles
7. Kondensator
   • Adiabatisk befugtning, er nettet vådt/overdoseres?
   • Frekvensregulering af ventilatorer

Hele dette forløb er gennemført og der har ikke vist sig nogen problemer. Alle komponenter har fungeret tilfredsstillende. Der har dog været skiftet dyse i højtryksventilen for at matche den aktuelle massestrøm.

6.3 Måling af kompressorvirkningsgrader

Der er gennemført gennemgribende målinger på kompressorerne. Ud fra massestrøm, temperaturer og tryk samt effektoptag kan kompressorens virkningsgrader beregnes:

For en chiller, der kører under danske klimaforhold vil de lave omgivelsestemperaturer gøre at trykforholdet vil ligge omkring 2. Fordampertrykket vil ligge omkring 38 bar, mens kondenseringstrykket vi variere mellem 55 og 90 bar afhængigt af udeluften. Dette giver trykforhold mellem 1,5-2,4. Målingerne er således foretaget under disse konditioner.

Figur 11: Virkningsgrader for kompressorer

Den volumetriske virkningsgrad ligger meget højt for kompressoren. Dette skyldes det lave trykforhold og bevirker at anlægget nemt laver de specificerede ydelse på 125 kW. Imidlertid ligger isentrop virkningsgraden nede omkring 0,60, hvilket ikke er ringe, men heller ikke er meget godt. På baggrund af målingerne er der udviklet nye ventiler til kompressoren og gennemført andre mindre tiltag for at forbedre kompressorens virkningsgrad i dette driftsområde. Der er ikke i dette projekt gennemført nye måling, men Dorin har i deres eget laboratorium gennemført målinger der viser virkningsgrade omkring 0,65.

6.4 Adiabatisk køling af kondensator sikrer kondenserende drift og høj COP

Der er gennemført flere forsøg med adiabatisk befugtning. Gennem forsøgene har der været test 2 forskellige principper:

1. Det ene koncept anvender et net der er udspændt i en 3-kant nedenfor kondensatoren (se figuren nedenfor), hvor vanddyserne er placeret indenfor nettet og sprøjter vandet ned på nettet
2. Det andet koncept er anvendt et vandret net udspændt nedenfor kondensatoren (ca. 100 mm under batteriet) og med dyser placeret udvendigt og som sprøjter op mod nettet

Begge koncepter er testet med forskellige dyser og forskellige åbningstider og periodetider for ventilen.

Det første koncept fungerede fint, men en fraktion af vandet med de mindste dråber havde tendens til at vende med luftretningen og strømme ind i selve kondensatorbatteriet.

Er det tale om små vandmængder der fordamper på kondensatoren er der nok ikke tale om et stort problem (kun lille aflejring af kalk), men det ville være fordelagtigt at hele vandmængden fordampede i luft eller på nettet. På billedet ses nette udspændt under kondensatoren. Luftretningen er nedefra og op.

Figur 12: Opstilling med net i 3-kant under kondensator

På billedet ses den indvendige placering af dyserne, hvor der sprøjtes ned på nettet.

Med den vandrette placering af nettet og dyserne placeret udvendigt var der bedre styr på vandet og kondensatoren var tør.

Figur 13: Placering af dyser, der sprayer mod net

Dugpunktet vil udgøre den teoretisk lavere temperatur der kan opnås. Ved adiabatisk befugtning, hvor luften befugtes med vand ved samme temperatur som luften vil enthalpien være konstant og afkøling vil ligge ca. 5K højere end dugpunktet. Dette punkt kalder vi den adiabatiske kølegrænse.

Under konditionerne i sommeren 2007, hvor de højeste udetemperaturer lå omkring 26°C (RH=60%) kunne der opnås en afkøling af luften på 2K. Den adiabatiske kølegrænse ligger her ved 20°C. Dette giver en temperaturvirkningsgrad for systemet på ca. 35%.

De højeste temperaturer i Danmark ligger ved 32°C (ca. 1 time området med udgangspunkt i referenceåret), men ved disse temperaturer er den relative fugtighed kun ca. 40%, hvilket giver en kølegrænse på ca. 21°C. Med den samme termiske virkningsgrad for det adiabatiske system fås nu ca. 4K i afkøling.

Figuren herunder viser indflydelsen fra adiabatisk befugtning på COP.

Figur 14: Målinger på COP (on-line) ved anvendelse af adiabatisk befugtning

Anlægget kører med befugtning som dog stoppes klokken 14:45. Herefter falder COP med ca. 6%. Klokken 15:00 genstarten befugtningen og COP stiger igen til samme niveau som før.

Så længe der ikke tilsættes kemikalier til vandet, som udledes/fordampes er der ingen lovgivning, som forhindrer anvendelse i dyser til adiabatisk luftkøling.

Vandforbruget på en compFORT 8-107 på ca. 300 kW vil vandforbruget være ca. 20 m³/år. Med en vandpris på ca. 8 kr./m³ og en vandafledningsafgift på ca. 7 kr./m³ (2005 tal) giver dette omkostninger på 400 kr. / år. Vi slipper nok ikke for afledningsafgiften, men alligevel er omkostninger til vandforbrug ret begrænsede.

Den energimæssige besparelse på strøm vil ligge på ca. 5000 kWh hvis vi antager at systemet er i brug 500 timer om året. Samtidig vil befugtersystemet kunne spare noget slagvolumen for kompressorerne og sikre anlæggets kapacitet på de varmeste dage.

6.5 Shocktest

Shochtest for anlægget gennemføres ved at lede varmt vand (40°C) i gennem fordamperen. Dette gøres både under stilstand og under normal drift med 100% kompressorkapacitet. Disse tests er gennemført uden problemer.

Ved tryk over 65 bar stopper anlægget efter 30s drift. Ved tryk over 80 bar på sugesiden starter anlægget ikke, men ved tryk herunder forsøger anlægget at starte, men kører kun i 30 s hvis trykke på sugesiden ikke falder under 65 bar.

6.6 Performance test / langtidstest

Der er gennemført langtidstest, hvor anlægget blot har stået og kørt konditionerne har været luftkonditionerne med vand på 7/12°C.

De målte for udetemperaturer på 20°C er vist nedenfor, mens de øvrige COP-værdier vist i tabellen er omregnet ud fra målingerne:

Tabel 1: Overblik over opnåede COP-værdier for chilleren

Anlægget er nu valideret i alle hjørner og energiforbruget viser at CO₂ kan konkurrere de bedste HFC-anlæg på markedet selv i designpunktet. Når der kigges på årsmiddel COP er CO₂ væsentligt bedre end konkurrenterne.

6.7 Frikøling

Det har været projektets formål at undersøge forskellige former for frikøling. Advansor har valgt 2 muligheder for frikøling på deres CO₂-baserede chillere.

Termosifon – partiel frikøling

En termosifon fungerer vha. af gravitation og densitetsforskelle mellem gas og væske. Fordamperen placeres lavt, mens kondensatoren placeres højere. Gas vil stige op og kondensere i kondensatoren og væsken vil returnere til fordamper og igen fordampe. Systemet er således selvcirkulerende og varme flyttes fra fordamperen til kondensatoren. Med termosifon kører anlægget enten med kompressor-drift eller med frikøling (0% eller 100%). Samdrift er således ikke mulig.

Fordele

• Vandinstallation upåvirket
• Ikke krav om frostsikring
• Rørføring i små dimensioner
• Lave installationsomkostninger
• Særlig relevans for CO2
• Små rør
• Høj varmeovergang ved pool boiling
• Tung væske = god statisk højde

Begrænsninger

• Krav til geometrisk højdeforskel ved opstilling

Figur 15: Princippet for termosifon – til venstre kører anlægget med kompressorer – til højre anvendes frikøling med by-pass af kompressorer

Frikølingssystemet med termosifon skrifter til frikøling ved temperaturer omkring 5°C ude. Det nøjagtige omstillingspunkt afhænger af kravene fra forbrugssiden mht. kapacitet og temperaturniveau.

Tørkøler – kontinuerlig frikøling

Kontinuerlig udnytter frikøling mellem 0% og 100% kuldeydelse. Frikølingen starter ved højere temperatur.

Fordele

• Uafhængig af installationsforhold
• God udnyttelse af frikølingspotentialet

Begrænsninger

• Krav om frostsikring
• Omkostninger til ekstra frikøleareal
• Øget lydtryk

Figur 16: Princippet for tørkøler-baseret frikøling – til højre kører anlægget med kompressorer – under ca. 10°C kan returvandet cirkuleres til tørkøleren og forkøles før fordamperen (figur til venstre). Ved temperaturer under ca. 0°C kan tørkøleren levere hele ydelsen.

Besparelsen for de to systemer er nogen lunde den samme. Imidlertid er termosifon-systemet meget billigere og lettere at installere. Derfor er dette system klart at foretrække når der er højdeforskel til rådighed.

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

Version 1.0 April 2009, © Miljøstyrelsen.