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

HFC-frie mælkekøleanlæg

5. Overvejelser ved løsningsvalg af køleanlæg

Generelt tilstræbes det, at anlægget udføres så enkelt som muligt. Enhver form for beholder ud over minimumskravet er fordyrende, og anvendelse af følere med automatik skal ligeledes søges minimeret.

Driften af køleanlæg med isbank er karakteriseret ved at være meget stabil mht. til belastning- og temperaturprofil. Væskevariationerne i anlægget vurderes derfor at være minimale, og der kan slækkes på kravene til beholdervoluminer i forhold til anlæg under mere varierende driftsforhold.

5.1 Anlægsvarianter med ammoniak

Nedenfor er de tre umiddelbart mest oplagte anlægsudformninger med ammoniak gennemgået. Varianterne har hver især fordele og ulemper, hvad angår pris, ydelse, driftsvariation, regulering og olieforhold.

5.1.1 Direkte ekspansion – tør fordamper

Hvis væskerøret fra kondensatoren udføres i tilstrækkelig stor dimension, kan en decideret højtryksreceiver til at optage væskevariationerne udelades. Af hensyn til risiko for ispåsætning på cylinderkappen (kun relevant hvis der anvendes en nedsænket sjapisgenerator) kan det ikke anbefales at lave pump-down ved stilstand. Anlægget er vist uden sugeakkumulator i figur 5.1.1.

Af prismæssige årsager vil en tør ekspansionsløsning være yderst attraktiv, men forhold omkring opstart og olieretur ved visse olietyper skal vurderes nøje. Endvidere medfører ammoniaks termofysiske egenskaber, at trykrørstemperaturen kan blive kritisk i forhold til oliens stabilitet, især ved overhedet gastilstand på indsugningen.

Under drift vil belastningen være meget ensartet, mens der under opstart efter stilstand er stor risiko for væske overføring til kompressoren. Hvis der anvendes termostatisk ekspansionsorgan, skal kompressoren som udgangspunkt sikres mod væskeslag vha. en sugeakkumulator, da termoventilens føler i praksis ikke kan forventes at reagere hurtigt nok på en væskefront. Dette taler for anvendelse af en elektronisk styret indsprøjtningsventil, så sugeakkumulatoren kan udelades. Den elektronisk styret indsprøjtningsventil skal have en opstartsalgoritme, som under opstart ignorerer overhedningsfølerens signal og kun tillader ventilen en meget langsom åbning. Højtrykssiden skal kunne akkumulere (stukke) væsken i denne opstartsfase. Efter en fastlagt periode (eksempelvis 2 minutter) skiftes styresignalet tilbage til overhedningsføleren.

Figur 5.1.1:
Løsning med direkte ekspansion

5.1.2 Oversvømmede systemer

Selvcirkulation med LT-svømmerstyret sugeakkumulator er en velkendt og driftssikker løsning, som tidligere er anvendt i et mælkekøleanlæg med ammoniak [Hansen, S., 1998]. Hvis væskerøret fra kondensatoren udføres i tilstrækkelig stor dimension, kan en decideret højtryksreceiver til at optage væskevariationerne udelades.

Løsningen er relativ dyr sammenlignet med direkte ekspansion, og der skal ved udformningen af enten fordamperen eller væskeudskilleren specielt tages hensyn til oliereturen uanset olievalg.

Figur 5.1-2:
Anlæg med oversvømmet fordamper og lavtrykssvømmersvømmer

5.1.3 Lavtryksreceiver med intern varmeveksling

Hele kølemiddelflowet skal igennem fordamperen, der som naturlig konsekvens heraf altid vil være oversvømmet, når der anvendes en intern væskekøler i lavtryksreceiveren [Pearson, S.F., 1999]. Enthalpidifferensen ved underkøling af højtryksvæske er helt bestemmende for overfyldningen af fordamperen. Ved korrekt udformning opnås en maksimal udnyttelse af fordamperens varmeoverføringsareal (tørhedsgrad mellem 0.1 og 0.8). Alle væskevariationer skal kunne optages i receiveren, hvilket ikke er kritisk, da dennes størrelse rettere er bestemt af krav om væskeudskillelse.

Prismæssigt vurderes løsningen at være på niveau med LT-svømmerløsningen, men med lavtryksreceieveren opnås større frihedsgrad omkring beholderplacering, fordampertilslutning og muligheder for olieretur. Løsningen anses derfor som et interessant alternativ til LT-svømmersystemer med naturlig cirkulation.

Figur 5.1-3:
Anlæg med lavtryksreceiver

5.1.4 Olievalg og retursystemer

Væskeindsprøjtning i fordamper - top eller bund

Hvis der vælges en løsning med lavtryksreceiver, kan fordamperen enten fødes med væske fra ekspansionsventilen gennem et indløb i toppen eller i bunden. Ved kombinationen af lavtryksreceiver og indsprøjtning i toppen af fordamperen kan problemer med akkumulering af uopløselig olie undgås i fordamperen. I stedet vil olien samle sig i bunden af lavtryksreceiver, som vist i figur 5.1-4 B) og C). Ved indsprøjtning af kølemiddel i toppen af fordamperen bør man endvidere være opmærksom på at fordele væsken ligeligt.

Figur 5.1-4:
Forskellige olieretursystemer

Ved LT-svømmer med gravitationsdrevet kølemiddeltransport er det kun muligt at indsprøjte i bunden. Den ikke-blandbare olie vil uvilkårligt samles i bunden af fordamperen og kan eksempelvis ledes tilbage med en sugegasdrevet ejektor efter samme princip som vist i figur 5.1-4 B). Olien fra bunden af en lavtryksvæskeudskiller eller fordamper kan også tilbageføres batchvis ved at tillade en periodevis trykopbygning i beholderen. En føler kan placeres i bundpotten til at registrere, når olie har nået et givet niveau. Fordamperen vil være placeret i isbanken ved en temperatur ca. 5K over sugetrykket. Kompressoren kan stoppes vha. en LT-pressostat ved at lukke magnetventilen i sugeledningen. Herefter kan olien ekspanderes fra bundpotten til sugeledningen, indtil olien er under et vist niveau.

Ved tør ekspansion vil det være risikabelt at indsprøjte i toppen, da væskeoverføring ikke kan undgås, medmindre der monteres en sugeakkumulator.

Blandbare olier

Enhver form for ekstra anlægsarrangementer til sikring af oliereturen som vist i figur 5.1-4 er fordyrende for konstruktionen og kan medføre driftskomplikationer ved svigtende sensorfunktion. Det er derfor, især på mindre anlæg, at fortrække olier, som automatisk returneres med kølemiddel i sugeledningen under de rette hydrauliske betingelser. Dette kan opnås ved at anvende en (delvist) blandbar olie. Flere olieproducenter tilbyder olier, som er helt eller delvist blandbare med ammoniak. Olietyperne er i praktisk anvendelse dog aldrig rigtig slået igennem, hvilket skyldes en række mindre gunstige egenskaber. Den umiddelbare ulempe ved de blandbare olier er den store affinitet til vand. Det opløste vand i olien vil nedsætte smøreevnen, og der dannes syreprodukter. Der findes en række eksempler på kompressorhavari pga. lejekorrosion, nedsat smøring, kobberplattering (CFC og HCFC anlæg med PAG olie) med anvendelse af PAG og POE olie i ammoniak.

Det vurderes, at disse ulemperne/potentielle havaririsici umiddelbart overstiger fordelene.

5.1.5 Materialekompatibilitet: Kobber og andre materialer

Forsøg med ammoniak i hermetiske kompressorer ved Teknologisk Institut samt Panasonic har vist, at der opstår skader på lak, ledningsgennemføringer og elektriske isoleringsmaterialer.

5.1.6 Vurdering af realistisk vandindhold i praksis

Den væsentligste kilde til vand i køleanlægget opstår i dette tilfælde ved reaktioner mellem vand, olie og ilt. Ved disse reaktioner dannes yderligere vand og en ond spiral er sat i gang. Det anbefales, at der anvendes semi- eller fuldsyntetiske parrafinolier, som normalt udviser den største stabilitet i ammoniaksystemer.

5.2 Valg af kølemiddel – Propan R290

Muligheden for simple prisbillige anlægsudforminger med propan udgør ud fra en køleteknisk synsvinkel en langt mindre udfordring, end det er tilfældet ammoniak. Propan åbner mulighed for at anvende stort set eksisterende teknologi, da damptrykskurven næsten er identisk med R22, og de fleste komponenter kan anvendes under hensyntagen til specifikke forholdsregler.

Komponenter og samlemetoder (kobberlodning) er billige, og kølemidlet er velegnet til direkte ekspansion med termoventil som vist i figur 5.1-1. Kølemidlets er yderst blandbart med mineralolier, og kompressorolien kan returneres via gassen på sugesiden.

Det vurderes, at propan er yderst attraktiv i små og mellemstore mælketankskøleanlæg, især hvis der tilstræbes en lav pris og lav systemkompleksitet.

Energiforbruget er sammenligneligt med HCFC-22 og generelt bedre end for HFC-kølemidler.

Temperaturniveauet for varmeudnyttelse kan problemfrit sættes til 60°C ved produktion af varmt vand til rengøring.

Til gengæld er propan brændbart, og opstillingen af anlæggene kræver derfor en myndighedsgodkendelse på baggrund af en sikkerhedsvurdering, hvor forholdsregler omkring opstillingssted, mærkning og eludførelse vurderes af den lokale tekniske forvaltning.

Af hensyn til sikkerhedsforhold bør anlægsfyldningen holdes på et minimum, og kombinationen af propan og et sekundært system bør foretrækkes.

5.3 R723 – Ammoniak/Dimethylæter

I det seneste år er der gennemført forsøg med en blanding af 60% ammoniak og 40% dimethylæter (DME, C₂H₆O). Blandingen har fået betegnelsen R723, og primært ILK i Dresden har været aktive omkring forsøg med mindre anlæg med denne blanding.

5.3.1 Blandingsegenskaber

Det har vist sig, at blandingen (60/40) er azeotrop, dvs. at der ikke optræder et temperaturglid ved fordampning og kondensering. Et fasediagram er vist i figur 5.3-1

Damptrykskurven er tilnærmelsesvis sammenfaldende med damptrykskurven for ren ammoniak, og krav til komponenters designtryk er således uændrede.

Fordampningsenthalpien mellem 0°C og –20°C er ca. 30 mindre end for ammoniak, hvilket kan bidrage til nemmere regulering af væsketilførslen til fordamperen.

Ved normal anvendelse af ammoniak er det af hensyn til energiforbruget og oliens temperaturbestandighed ønskeligt/påkrævet, at gastilstanden ved kompressorens sugestuds er tæt på mætning. Dette forhold medvirker bl.a., at ammoniak traditionelt anses som uegnet i (semi)-hermetiske kompressorer og fordampersystemer med direkte ekspansion. Med R723 kan trykgastemperaturen sænkes ca. 20-25K, og dermed løses i praksis problemer i relation til overhedning af sugegassen.

DME er i samme brændbarhedsklasse som propan R290 efter direktivet 67/548/EWG og antændes ved 235°C, hvilket er lavere end propan. En vurdering af krav til R723 i forbindelse med opstilling er opstillet i afsnit 5.5.

Toksicitet:

I større doser er der risiko for kvælning og narkotisk effekter som svimmelhed og hovedpine. Den tilladte langvarige eksponeringsgrænseværdi er sat til 1000 ppm. DME er tungere end luft.

DME kan skaffes på væskeform hos de større salgsselskaber af tekniske gasser.

Figur 5.3-1:
Faseligevægtsdiagram med blandinger af R717 og dimethylether. [Lippold og Heide, 1997].

5.3.2 Olieblandbarhed

I modsætning til ammoniak er DME fuldt opløselig med gængse kompressorolier. Det var forventet, at DME kunne bidrage til at gøre blandingen opløselig med mineralolie og alkylbenzene olier. Ved forsøg har det vist sig, at opløseligheden for blandingen var klart forbedret, men dog kun delvist blandbar med mineral- og alkylbenzene olier. Der findes primært reference til drift med R723 i en åbne kompressorer med PAG olie.

5.3.3 Kompatibilitet med kobber

Generelt gælder samme forhold som for ammoniak. Der er dog gennemført specifikke driftsforsøg med R723 og PAG-olie, som har vist, at blandingen ikke er korrosiv over for kobber, når vandindholdet holdes under 400 ppm. Da størrelsesforskellen mellem ammoniak og vandmolekyler er mindre end for andre gængse kølemidler, stilles der større krav til tørrefiltret end normalt. I de rapporterede forsøg er der anvendt tørrefilter i sugeledningen, hvilket giver et ekstra temperaturtab i forhold til væskefiltre. Med tørrefilter indstillede vandindholdet sig omkring 300 ppm.

Af hensyn til kobberkorrosion må det anses som risikabelt samtidig at anvende en hygroskopisk olietype, som det er tilfældet i de forsøg, der er gennemført med PAG olie. I en ud af tre kompressorer var der tydelige tegn på kobberplettering på ventilpladerne. PAG olien har tidligere medført samme virkning i CFC-anlæg, og det er svært at afgøre, om olien eller en kombination af ammoniak/olie/vand er den primære årsag. Forhold omkring kobberplettering bør absolut ikke undervurderes.

5.4 Blandinger af ammoniak og kulbrinter

Et naturligt spørgsmål i forbindelse med anvendelse af kulbrinte sammen med ammoniak vil være, hvorfor i det hele taget betragte blandingen frem for de rene komponenter? Udgangspunktet for idéen har været at opnå hver af kølemidlernes bedste egenskaber og samtidig eliminere de væsentligste af ulemper.

De væsentligste ulemper for ammoniak er olietransporten, den høje trykrørstemperatur samt affiniteten til vand, som besværliggør indsats af tørrefilter. Modsat har propan lav affinitet til vand, lav trykrørstemperatur og er fuldstændig opløselig med mineralolie.

De væsentligste ulemper for propan er, at kølemidlet er brændbart og lugtfri. Ammoniak er også klassificeret som brændbart, men dog i mindre grad end propan. Den praktiske betydning er nedsættelse af antændelsesrisikoen. Samtidig optræder ammoniak som lugtstof, der kan afsløre enhver lækage af kølemiddel. Vurderinger af krav til opstilling er foretaget i afsnit 5.5.

Endvidere kan der med ammoniak opnås højere varmeovergangstal end for propan. I systemer med varmeoverføring til væske på både kondensator- og fordamperside er betydningen heraf værd at inddrage. Ved blandinger vil overgangstal reduceres i forhold til de rene stoffer pga. den samtidige massediffusion, der opstår ved koncentrationsforskellen i interfacet og tab af effektiv temperaturdifferens. For en azeotropblanding kan en omtrentlig lineær vægtning af overgangstal i forhold til de rene stoffer forventes, så med moderate mængder kulbrinte (eksempelvis 10 vægtprocent) vil overgangstallene stadig være høje.

Den teoretiske COP for propan, propylen og ammoniak ligger inden for få procent i den aktuelle applikation, men for ammoniak er det nødvendige kompressorslagvolumen 20-25% mindre.

5.4.1 Blandingsegenskaber

Ammoniak kan blandes med eksempelvis propan R290 eller propylen R1270. Der er udført faseligevægtsberegninger vha. programmet Refprop fra NIST med en interaktionskoefficient=1. Resultaterne er vist i figur 5.4-1 og 5.4-2 for henholdsvis propylen/ammoniak- og propan/ammoniak-blandinger. Det fremgår, at begge blandinger er nær-azeotrope ved ammoniakandele højere end 60%. For propylenblandinger mellem 10 og 40 vægtprocent kan der opstå et beskedent temperaturglid mellem 0,1 og 0,3 K ved fordampningen, mens der modsat for propan (i samme koncentration) kan opstå et ligeså beskedent temperaturglid mellem 0,1 og 0,3 K ved kondensering.

Figur 5.4-1:
Faseligevægtsdiagram for R717/R1270-blandinger. [Refprop v. 6.01 – NIST 1998]

I bilag 2-5 findes udvalgte stofdata for 10/90 og 40/60 vægtprocent blandinger af både R1270/R717 og R290/R717.

Blandingsforholdet 10/90 er primært interessant i forbindelse med olietransporten af mineralolie. Forholdet 40/60 er yderligere inddraget, da den øgede kulbrintekoncentration vil kunne sænke trykrørstemperaturen ca. 20K, ligesom for DME. Blandingen kan være interessant i denne sammenhæng som sikkerhed ved et højt kondenseringssetpunkt af hensyn til varmtvandsproduktion.

Figur 5.4-2:
Faseligevægtsdiagram for R717/R290-blandinger. [Refprop v. 6.01– NIST 1998]

Fordampningsenthalpien reduceres i forhold til ren ammoniak med mellem 5% og 30% ved hhv. 10% og 40% kulbrintetilsætning. Som nævnt under R723 behandlingen kan dette medvirke til bedre regulering af væsketilførelsen til fordamperen, men ved dimensionering af ekspansionsorganet og øvrige komponenter, skal der tages højde for kapacitetsforskellen.

Damptrykskurven for blandinger er stort set sammenfaldende med ren ammoniak, med undtagelse af blandingen 40% propan/60% ammoniak, som ligger 1-2 K lavere ved temperaturer over 5°C.

Figur 5.4-3:
Damptrykskurve for ammmoiak og kulbrinteblandinger

Det forventes, at tørrefiltre vil få bedre driftsbetingelser i forhold til ren ammoniak, som vil konkurrere med vandmolekylerne om pladserne i den porøse filtermatrix. Propanmolekyler er væsentligt forskellig fra både vand og ammoniak. Vandopløseligheden af vand i propan er meget ringe, mens den er uendelig god i ammoniak. For blandingen vil der optræde en ligevægt mellem disse yderpunkter, men det er uvist, hvor den vil indstille sig.

Antændelsestemperatur for propan er højere end for DME, men blandingen er mere brændbar end ren ammoniak.

Toksicitet:

I større doser er der risiko for kvælning og narkotisk effekter som svimmelhed og hovedpine. Den tilladte langvarige eksponeringsgrænseværdi er sat til 1000 ppm. Propan er tungere end luft.

Det er opfattelsen, at R717/R290 eller R717/R1270 er at foretrække frem for R723 på baggrund af det bedre almene kendskab til propan/propylen i kølemæssig sammenhæng.

5.4.2 Olieblandbarhed

Blandingen må forventes at være blandbar eller delvist blandbar med mineralolie, da mineralolier har god opløselighed i propan (propylen).

Tilsætning af isobutan (R600a) til at sikre olietransporten i anlæg med kølemidler, der ikke er blandbare med mineralolie, er kendt fra konvertering af R12-køleskabe til R134a. I forbindelse med konvertering af HCFC-anlæg (R22) til HFC er der lanceret blandinger tilsat kulbrinter, mest kendt er nok R417A (Isceon 59), som er en blanding af R125/R134a/R600a i forholdet 46.5/50/3.5 (GWP 1.950).

På baggrund af de erfaringer, der er gjort i forbindelse med konvertering af CFC- og HCFC-anlæg til HFC, formodes det, at 4-5% kulbrinte i blandet ammoniak kan være tilstrækkeligt til at sikre oliereturen med mineralolie i tør ekspansionsanlæg.

5.4.3 Kobberkompatibilitet

Vurderes at være som for ren ammoniak. Der findes ingen driftsundersøgelser for ammoniak/kulbrinte-blandinger i ovenfor omtalte koncentrationer. En japansk undersøgelse Nakagawa (2000) med 10% ammoniak/90% propan som drop-in erstatning for R22 resulterede i havari i en hermetisk kompressor, hvor motordele var blevet kraftigt angrebet af ammoniakken. Undersøgelsen beskriver intet om korrosionsmæssige forhold i rør og varmevekslere.

5.5 Krav til opstilling af ammoniak- og kulbrinteanlæg

5.5.1 Zoneklassificering i henhold til ATEX-direktivet

Det fælles europæiske direktiv omfatter elektrisk og mekanisk udstyr, der anvendes i eksplosive atmosfærer. Direktivet er gældende fra marts 2003 og foreskriver lovgivningen omkring anvendt materiel, sikringssystemer, komponenter til brug i eksplosionsfarlige områder samt sikkerheds-, kontrol- og reguleringsordninger beregnet til brug uden for det eksplosionsfarlige område, men hvis funktion det er at sikre udstyr i det område, hvor en eksplosiv atmosfære kan forekomme.

Alle de kølemidler, der er nævnt ovenfor som egnede HFC-erstatninger, er brændbare, som det fremgår af tabel 5.5-1. Det fremgår endvidere, at ammoniak eller blandinger baseret herpå skal optræde i større koncentrationer, før risiko for eksplosion forekommer (LEL). I et blandingsforhold 90/10 mellem ammoniak og kulbrinte vil ammoniakken kunne detekteres længe før, at en brandbar atmosfære vil optræde.

Tabel 5.5-1:
Øvre (UEL) og nedre eksplosionsgrænser (LEL) for udvalgte kølemidler (EN-378-1)

At de HFC-fri alternativer er brændbare betyder, at det skal vurderes, om anlægget er omfattet af ATEX-direktivet. Dette medfører, at der skal laves en risikovurdering for anlægget, som omfatter en zoneklassificering. På denne baggrund vurderes det, om anlægget er omfattet af ATEX-direktivet eller ikke.

Der skal altid foretages en riskovurdering for det sted, hvor anlæggene opstilles.

Nedenfor gennemgås i væsentlige træk de krav, der stilles til klassificering. De relevante resultater er samlet i et skema, som kan give et overblik over relevante zoner for udendørsopstillede mælkekøleanlæg.

Zoneklassificeringen kan dog ændres, hvis ventilationsgraden er utilstrækkelig. Især situationer i forbindelse med servicering af anlæg kan give anledning til momentane høje udslipsrater.

Ventilationsgraden beregnes som følger:

Minimumsventilationsmængde:

LEL er den nedre eksplosionsgrænse (kg/m³)

k er en sikkerhedsfaktor tilknyttet til den nedre eksplosionsgrænse

k=0,25 (ved kontinuerlig og primær grad af udslip)
k=0,50 (ved sekundær grad af udslip)

T er omgivelsestemperaturen (i Kelvin)

Specielt ved udendørs opstilling:

Ved udendørsopstilling vil der selv ved meget lave vindhastigheder bliver lavet et stort luftskifte. Ved forsigtige tilnærmelser anvendes et luftskifte C = 0,03/s, og det hypotetiske volumen bliver:

5.6 Generel klassificering af anlæggene

Der er foretaget en generel zoneklassificering af anlæggene. Denne zoneklassificering er foretaget ud fra følgende forudsætninger.

For de ovenstående udslipskilder klassificeres udslippet som sekundært. Hvilket som udgangspunkt medfører zone 2.

Vurdering af zonetype for normale opstillingsforhold foretaget i henhold til EN 60079-10

Dette betyder, at der skal benyttes komponenter egnet til zone 2.

Vurdering af zonetype for normale opstillingsforhold
Vurderingen er foretaget i henhold til EN 60079-10

Dette betyder, at der også skal benyttes komponenter egnet til zone 2 for ammoniakanlæggene.

Benyttes der i stedet en semihermetisk eller hermetisk kompressor, vil udslippet fra kompressoren være sekundært, og udstyret ville kunne klassificeres som værende uden for zonekategori.

Det fremgår, at både ammoniakanlæg med åben kompressor og propananlæg klassificeres til zone 2. Anlæg baseret på en blanding af de to kølemidler klassificeres dermed også i samme zone, når der anvendes åben kompressor.

For elektriske komponenter der skal være klassificeret til zone 2, gælder at de skal opfylde kravene beskrevet i EN 50021, som omhandler beskyttelsesmetode "n".

5.7 Krav til komponenter i ammoniak baserede løsninger

Kompressoren skal være åben, indtil der udvikles hermetiske kompressorer med materialer egnede for ammoniak.

Til ammoniak-/propananlægget kan der vælges en Ni –loddet pladevekslerkondensator, som er marginalt dyrere end en tilsvarende kobberloddet. Der findes en enkelt producent som kan tilbyde Ni-loddet veksler til det påkrævede designtryk.

HT-pressostat og anden sikkerhedsautomatik skal være i normal ammoniakudførelse for at udelukke funktionsfejl pga. uforudset materialbrug.

Ekspansionsorganet skal være i ammoniakudførelse af hensyn til materialekompatibilitet og kapacitetsområde.