Elforsk Dansk Energi Rosenørns Allé Frederiksberg C Att.: Jørgen Borup Jensen. Århus V 19. oktober 2007

Transkript

1 Elforsk Dansk Energi Rosenørns Allé Frederiksberg C Att.: Jørgen Borup Jensen Århus V 19. oktober 2007 Uddybende notat til PSO ansøgning Det er formålet med nærværende notat at uddybe og belyse metode og midler for praktisk tilvejebringelse af de i ansøgningen opstillede energisparemål for chillere. Der skal indledning pointeres, at de enkelte delprojekters bidrag kan opfattes som akkumulative besparelser. Samtidig ønskes det at fremhæve, at delprojekterne er baseret på et datagrundlag af måledata fra ADVANSOR s eksisterende CO 2 køleløsninger. Transkristiske/subkritiske chillerløsninger vil være baseret på en lang række endnu ikke kommercielt modnede delkomponenter. ADVANSOR s egne målinger viser således også, at der vil være større besparelser at opnå ved at høste lavt hængende frugter på samtlige, væsentlige delkomponenter frem for at fokusere på udvikling og sub-optimering af en enkelt komponent. En lignende udvikling er allerede gennemført for konventionelle kølesystemer med HFC, ammoniak og kulbrinter, men mangler for CO 2 i særdeleshed i trykområdet større end 40 bar. De nedenfor beskrevne delprojekter vil udgøre grundpiller i etableringen af et sådant fundament. Følgende delprojekter er relevante: - forbedring af kompressorvirkningsgrader - forbedring af fordampere - forbedring af kondensatorer - integration af frikøling - optimale styringsalgoritmer

2 Kompressoroptimering Tabene i kompressorer kan karakteriseres som summen af elektriske tab, mekaniske tab samt interne flowrelaterede tab. Mekaniske tab er relateret til lejetab, friktion, effektoptag og omdrejningstal. Da CO 2 og olie i krumtapshuset er fuldstændigt indbyrdes opløselige, skal temperaturen af olie holdes mellem C for at sikre den rette viskositet af olien og dermed god smøring. Området er afdækket og løsninger er dokumenteret af ADVANSOR, hvorfor nærmere undersøgelser udelades i nærværende projekt. I projektet fokuseres derfor alene på elektriske og interne tab. Kompressormotoren vil typisk være valgt på grundlag af den maksimale belastning, der forekommer ved højt trykforhold og høje udeluftstemperaturer. Motorbelastningen ved drift under danske forhold vil i gennemsnit udgøre 50% af mærkeeffekten. Det grå område viser typisk driftsområdet for kompressoren under danske forhold. Pilen indikerer den mulige forbedring ved reduktion af lavlast-tab Motorvirkningsgrad Relativt effekt Idet projektets fokus på forbedring af varmevekslere vil reducerer kompressornes effektforbrug yderligere øges betydningen af denne problemstilling. Det skal påpeges, at der forud for projektet ikke haves kendskab til elmotorens virkningsgrad. Det vil i projektet sammen kompressorleverandøren DORIN blive undersøgt, hvilke gevinster der kan opnås ved generel forbedring af motorvalget,

3 både hvad angår virkningsgraden ved fuldlast (sparemotor) og lavlast karakeristikken. Interne tryktab i kompressorerne er i høj grad relateret til strømningstab i cylindrenes suge- og trykventiler og afhænger af kvadratet på strømninghastigheden dvs en halvering af strømningshastigheden giver en fjerdedeling af tryktabet. I klimatisering- og serverkøleapplikationer haves høj massestrøm i kompressoren pga af højt sugetryk sammenlignet andre køleinstallationer. Der er indledningsvist drøftet udskiftning af suge- og trykventiler med kompressorleverandøren. Nedenstående kurver viser måling på isentrope (lilla punkter) og volumentriske (blå punkter) virkningsgrader i det relevante driftsområde for CO 2 chillere. 1 0,9 Efficiency 0,8 0,7 Isentropisk Volumetrisk Ny isentropisk Ny volumetrisk 0,6 0,5 0,4 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 Pressure ratio Ved udskiftning af ventiler viser leverandørens beregninger, at isentrop virkningsgraden kan hæves med optil 10% (grøn kurve) - dog på bekostning af lidt reduceret volumetrisk virkningsgrad. Det er imidlertid isentrop virkningsgraden, der er af interesse med henblik på at reducere energiforbruget. Beregnet vil den gennemsnitlige COP under danske forhold stige fra 3,8 til 4,2 ved denne tilpasning af ventiler til danske forhold. Ovenstående tanker bliver implementeret i prototypekompressorer. Disse kompressorer testes. Efter behov kan

4 forskellige motor-typer testes samt diverse optimale løsninger for valg af ventiler til kompressorer. Der lægges vægt på at ovenstående forbedringer dokumenteres gennem omfattende målinger.

5 Fordamperdesign Advansors egne målinger på en oversvømmet stålrørsfordamper har vist, at der kan opnås væsentlige forbedring ved at optimere forskellige designparametre. Betragtes data for en fordamper med indvendigt glatte rør (vandsiden) og udvendige ribber (CO 2 siden) bemærkes følgende: - vandsiden er bestemmende - overgangstallet er lavere end forventeligt (ca W/m²/K bør kunne realiseres). Evaporator EA Over all heat transfer coefficient (external tube area: 41 m2 U [W/m2/K] y = 109,12x 0, R 2 = 0, Water flow rate [m3/hr] Ved fastholdt fordamperareal vil en forbedring af overgangstallet fra 450 W/m²/K til 900 W/m²/K give anledning til en COP forbedring på 8,5%. Der kan opnås forbedringer ved 2 forskellige tilgange til problemet. Enten skal vandsiden i rørfordampere forbedres med henblik på at øge varmeovergangstallet, eller også skal fordamperkonceptet baseres på korrugeret pladeløsninger, som har overgangstal ved oversvømmet drift i størrelsesorden W/m²/K. Nedenstående kurver viser varmegang for CO2 ved pool booling. Det kritiske tryk p c = 73 bar, og fordampning ved p 0 = bar, giver et reduceret tryk p* = (p 0 / p c ) i størrelsesorden 0,5 til 0,6. Det orange område i figurerne markerer således det udvendige varmeovergangstal for oversvømmede glatrørsfordampere med CO2 ved chillerdrift i området 2-10 C.

6 Advansors målinger på fordamperen ovenfor er udført ved en varmeflux på 2500 W/m² og det udvendige overgangstal bør derfor være i størrelseorden 5000 W/m²/K (jf venstre kurve). [ Review on pool boiling heat transfer of carbon dioxide, Gorenflo, Kotthoff] Det er interessant indenfor det orange område, at bemærke, at varmeovergang for CO2 i regimet pool boiling er væsentlig bedre end for konventionelle kølemidler, samt at der ikke er stor forskel mellem pool boiling og flow boiling. Det skyldes, at det reducerede p* er tættere på 1, hvorfor bobbeldannelsen generelt forekommer er lettere. Disse observationer underbygger, at pool boiling er en velegnet løsning i CO2 chillere, hvor det reducerede tryk altid er højt. Opkoncentrering af olie i fordamperen kan give anledning til reduceret overgangstal. Denne problemstilling er bl.a. undersøgt forud for projektet og Advansors målinger ovenfor bekræfter, som anført, at begrænsningen ligger på vandsiden. Optimeringsopgaven består derfor i at forbedre varmeovergangstallet ved øge varmefluxen via det indvendige overgangstal og det indvendige areal. Det er velkendt, at varmeovergangstallet på den indvendige side kan øges ved at benytte integrerede eller eksternt indsatte flowturbulatorer. Jf ovenstående beskrivelse af indvendig varmeovergang er relevansen endog større for CO2 end for andre kølemidler.

7 Den indvendig varmeovergang i indvendige ribberør kan opdeles i 6 flowregimer i henhold til figuren herunder (Arman, 1992). Det lokale varmeovergangstal har maksima på finnens top, samt på bagsiden af separationsboblen. Ved at optimere udformningen er % forbedring af det indvendige overgangstal dokumenteret gennem flere undersøgelser. En ikke uvæsentlig forbedring opnås yderligere ved at det interne areal forhold stiger med faktor mellem 1,4 til 2. Som regne ksempel vil en forbedring af det indvendige areal forhold med 1,8 samtidig med en fordobling af det indvendige varmeovergangstal giver en totalforbedring af det samlede varmeovergangstal med en faktor 65% henført til det udvendige areal. Det er derfor plausibelt, at COP kan øges med 5-10% ved indsatsen på til forbedring af rørvarmevekslere.

8 Der findes ikke i projektets udgangspunkt pladevekslere, som er egnede til det høje tryk. I projektet vil blive igangsat udvikling af principper, som kan baseres på kendt teknik og stor-skalaproduktion, men som samtidig indgår i en systemudformning som vist herunder, der muliggør anvendelse af pladevarmevekslere, enten i svejst eller loddet udførelse. Der forventes på baggrund af beregning, at varmeovergangstal mellem i størrelsesorden 1500 W/m²/K opnås på denne type veksler. I samarbejde bl.a. SWEP er det ønsket at udvikle og teste et sådan design.

9 Design af varmeafgiversystemer ADVANSOR har til CO2 udviklet særlige konfigurationer af gaskølere og kondensatorer, som gør det muligt at operere med en kondenseringstemperatur på mellem 4K og 8K over udeluftens temperatur dette skal ses i forhold til at industriel praksis for fabriksbyggede anlæg ligger mellem 12K og 18K. Nedenstående kurver viser drift med kondensering mellem C ved en udeluftstemperatur mellem C og en underkøling på 2K T_luft T_C_køl T_liq_kond P_C_køl P_C_køl_ref :52 15:00 15:07 15:14 15:21 15:28 15:36 Således er der allerede opnået gode resultater for selve kondensatoren/gaskøleren. Imidlertid dikterer kredsprocessen for CO2, at COP værdien bliver lav, når omgivelsestemperaturen er større end ca. 24 C, og i særdeleshed når processen kobler til transkritisk drift. For at kompensere for denne lave COP værdi er det af interesse at introducere adiabatisk luftbefugtning, hvor udeluften før gaskøleren nedkøles ved fordampning af små vanddråber fra et dysearrangement under gaskøleren. Tidligere forsøg udført af ADVANSOR har påvist at der kan opnås COP forbedring på ca. 8% med forholdsvis simple midler (jf. ansøgningens bilag 1). Samtidig viste målingerne dog også, at princippets potentiale ved fuld adiabatisk befugtning var langt større end den realiserede besparelse. I gennemsnit over en sommerdrift blev realiseret nedkøling af luften med 2-3K, hvilket svarer vel overens med 8% besparelse. I praksis burde en afkøling mellem 4-7K imidlertid kunne realiseres udfra beregnede vådtemperaturer i standard reference året. Det er derfor ønskeligt at forbedre teknikken, således at adiabatisk luftbefugtning kan bruges i hovedparten af

10 kølesæsonen (3000 timer/år), hvor der kan opnås COP forbedringer mellem 5-15% - afhængigt af tidspunktet. Effektiviteten af den adiabatiske befugtning ved brug af dråbeforstøvningsdyser afhænger af dråbens opholdstid, dråbestørrelsen, dråbestørrelsesfordeling samt konvektive bidrag fra luften. Der findes udmærkede teoretisk idealiserede modeller for stofovergangen mellem sfæriske dråber og luft. Imidlertid vil en sådan løsning ikke kunne realiseres i praksis, da den nødvendige opholdstid vil blive meget lang og samtidig vil kravet til dråbestørrelsen medføre en finforstøvning, som ikke kan retningsstyres ved turbulente udeluftsforhold. Det er derfor intentionen at benytte mekaniske foranstaltninger, som dels nedbremser luften ved multiple tvungne retningsskift, samt introducere et supplerende mekanisk kontaktareal, som det fra køletårne. Samtidig med at det er ønskeligt at opnå fuld adiabatisk befugtning, er overdosering af vand absolut uønsket. Dels vil vandet pga. overfladespænding akkumuleres mellem finnerne og dermed blokere luftens gennemstrømningsareal og dels vil vandoverføring ledes til kalkaflejringer, som nedsætter effektiviteten og levetiden for kondensatoren. Der er således god gevinster ved brug af den rette metode, og i modsat fald risiko for tabt effektivitet. Der vil i projektet blive arbejdet med pulsbredde moduleret forstøvning, da det tidligere har vist de mest lovende resultater. Den forstøvede vandmængde skal tilpasses i forhold til luftens temperatur og luftfugtighed. Til dette formål skal der udvikles styringsalgoritmer, som sikrer høj effektivitet og lavt vandforbrug. Algoritmen integreres i controlleren beskrevet herunder. Frikøling Der henvises til ansøgningens bilag 4.

11 Styring Der findes på nuværende tidspunkt ikke en konfigureret controller til styring af de funktioner der er nødvendige for en transkritisk chiller. I dag kan der anvendes 2 fremgangsmåder. Styringen kan sammensættes af flere forskellige controllere, der hver især anlæggets enkeltdele eller der kan anvendes en industriel PLC, der programmeres fra bunden med alle nødvendige dele. Advansor har valgt den sidste løsning, der, når programmet først er udviklet, giver mulighed for mere optimal styring af anlægget og samtidig er langt billigere. Imidlertid er løsningen svær at supportere sammenlignet med en konfigureret controller fra f.eks. Danfoss, hvor Danfoss også har mulighed for at supportere brugeren. Det er projektets delformål at en ny controller skal udvikles. Der tages udgangspunkt i Danfoss controller AK-PC-650 samt primært Danfoss og Advansor s baggrundviden. Arbejdet varetages af Danfoss med support fra Advansor, GEA og IPU. Der skal indledningsvis udarbejdes en I/O-liste og en styringsbeskrivelse for den samlede styring og interfaces skal defineres. Styringens enkeltdele består af: Kompressor-styringen består af en kapacitets-styring, oliestyring samt en sikkerhedsovervågning. Kompressor-styringen baseres på en kombination af vandtemperaturen og sugetrykket. Regulatoren udføres som en modificeret PI-regulator med tidsdelay mellem kompressor indkobling, udkobling, genstart og stop. Endvidere etableres køretidsudligning. Der etableres set-punkts-forskydning af referencen, således at anlægget altid kører ved det højeste sugetryk. Denne forskydning kommer fra signaler fra streng-reguleringsventiler på vandsiden eller luftspjæld og bevirker at den producerede vandtemperatur altid er højest mulig. Teknikken er kendt fra køling i supermarkeder, men skal etableres for chillere. Dette har stor gevinst for energiforbruget med en forbedring af COP på ca. 3%/K. Oliehåndteringen på chilleren er udviklet helt specielt til denne chiller. Oliesystemet er elektronisk og kræver en helt speciel styring. Tanken er at udvikle controlleren med en selvkonfigurerbar del, således at anlægsbyggeren selv har digitale ind- og udgange, der i et simpelt sprog kan konfigureres efter behov. Advansor udviklet eget program for oliestyring, som skal placeres i denne del.

12 Sikkerhedsovervågningen består af pressostater, motorfejl (termistor), oliefejl (herunder fejl på olieniveau og/ eller olietryk), stop af vandkreds og blæser/ kondensatorfejl. Hele denne sikkerhedsmæssige del er selvfølge også en del af styringen/ overvågningen. Kondensatorstyring der består af kondensatorblæserstyring, befugterstyring samt højtryks-styring. HT-styringen definerer håndteringen af sub- og trans-kritisk drift. Denne del er væsentlig for anlæggets energiforbrug. Omskiftet til overkritisk drift skal ligge på det rigtige tidspunkt og styringen af trykket i kondensatoren/ gaskøleren ved overkritisk drift skal være optimal i forhold til at minimere anlæggets energiforbrug. Endvidere er det muligt at sænke luftmængden gennem kondensatoren og samtidig sænke kondenseringstemperaturen helt ned til 10 C på kolde dage. Dette gøres gennem intelligent styring af kondensatorblæserne. Endeligt skal befugtningen af kondensatoren/ gaskøleren styres på de varme dage. Ved udetemperaturer over 15 C vil det være rentabelt at befugte. Her ligger et samspil mellem styring af befugtning (pulsstyret spay af vandtåge) i forhold til HTstyringen og blæserstyringen. Fordamperstyringen er relativ simpelt, da alle foreslåede fordamper-systemer anvender oversvømmet fordamper og lavtryk-receiver. Disse fordampersystemer er til stor fordel for energiforbruget, da de kører med meget små temperaturdifferenser, men samtidig giver de oversvømmede fordampersystemer en meget god dampning af systemer (mere roligt sugetryk og meget stabile vandtemperaturer sammenlignet med DX-systemer). Endvidere er foretages reelt ingen styringen af væskeniveauet, men kun en overvågning af om den afstemte fyldning er passende. Dette gøres ved løbende at måle overhedning af sugegassen (stigende overhedning betyder mangel på kølemiddel) samt indikation af højt kølemiddelniveau (ved for højt niveau kan der være risiko for væskeslag for kompressorerne). Det vurderes hvorvidt styringen af vandsiden skal medtages i projektet. Det er ikke kutyme i branchen at leverandøren af chilleren inkluderer vandsiden i leverancen, imidlertid kan det være relevant at styringen kan 1-2 pumper samt et antal hovedventiler. Dette kortlægges i projektet. Der vil blive fokuseret på samspillet mellem anlæggets komponenter, således at systemet samlede energiforbrug

13 minimeres. Et eks. på dette er styring kondensatorblæsere afhængig af den indkoblede kompressor-kapacitet. Alle overstående dele skal i sidste ende implementeres på samme platform, således at pris og brugerventilhed kan optimeres. Endvidere vil dette gøre energioptimeringen af anlægget mulig og ikke mindst overskuelig. Det vurderes at der ligger energibesparelser på 5-10% alene ved optimering af styringen. AK-PC-650 som danner udgangspunkt for controlleren til chiller-styringen