Teknisk analyse og optimering af et R290 frostanlæg. Af Lars Hørup Jensen og Jesper Hoffmann

Transkript

1 Teknisk analyse og optimering af et R290 frostanlæg Af Lars Hørup Jensen og Jesper Hoffmann 15. december 2014

2 Navn Studienummer Titel Projekttype Fagområde Semester Udd. Institution Vejleder Lars Hørup Jensen og Jesper Hoffmann A10541 og M10764 Teknisk analyse og optimering af et R290 frostanlæg Bachelorprojekt Køl 9. semester Aarhus Maskinmesterskole Poul Høgh, Lektor Dato for aflevering 15. december 2014 Normalsider Omslagsbillede 30,9 ( anslag inkl. mellemrum) Fotoserie fra R290 anlægget på Thyborøn Havn Lars Hørup Jensen Jesper Hoffmann Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 2

3 Abstract Project title: Technical analysis and optimization of a R290 refrigeration system This project is about to illuminate the natural refrigerant R290 (propane) as more widespread refrigerant. R290 has a history as refrigerant, but due to flammability, and synthetic competitors, it has not been popular the last decades. Now EU strongly suggests the refrigeration industry to focus on systems using natural refrigerants. One option could be the refrigerant R290. This report takes output in an internship at the company Multi Køl A/S, who built a R290 refrigeration system for a cold storage depot in Thyborøn. The company already had a R744 (carbon dioxide) refrigeration system, but due to the expansion of cold storage, the company needs extra freezing capacity. The companys first choice was to expand its existing R744 refrigeration system, but instead they choose to install a R290 refrigeration system, as this would be a cheaper option. In this study, the R744 and R290 systems were analyzed, in terms of different factors including thermodynamic and chemical properties of the refrigerants, energy consumption, operation and maintenance. The analysis is completed with LCC of a period of 10 years. The R290 refrigeration system is a pilot project, and the report also includes proposals for how the R290 refrigeration system can be further optimized, both in terms of daily operations, but also in terms of energy consumption. The outcome of this report concludes R290 refrigerant system is the cheapest solution, when speaking of the category of refrigeration systems, with natural refrigerant. However propane is a flammable refrigerant, so precautions have to be implemented, when installing a propane refrigerant system. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 3

4 Indholdsfortegnelse Abstract Nomenklaturliste Forord Påskønnelser Læsevejledning Bilag Kildehenvisning Beregninger Problemformulering Projektbeskrivelse Problemstilling Hovedspørgsmål Afgrænsning Metode Skrivning Kølemidler Anlægsanalyse og optimering Energitilskud Liste over respondenter Vurdering af indhentet empiri Metode ved brug af beregningsprogrammer Metode til analyse Behandling af resultater Kølemidler Kølemidlernes udvikling Lovgivning for kølemidler ODP GWP-faktor TEWI-faktor Grundlæggende køleteknik trins køleproces Farlige egenskaber for propan (R290) Farlige egenskaber for kuldioxid (R744) Delkonklusion kølemidler Anlægsanalyse over R290 anlæg i Thyborøn Opbygning Varmeveksler Pump-down kompressor styring Virkemåde af varmgasafrimning Fordele ved varmgasafrimning Sikkerhed Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 4

5 6.7.1 Brandmyndigheder Gasdetektorer Pressostater og sikkerhedsventiler Yderligere tiltag LCC Anskaffelsespris på R290- og R744 anlægget Forskel på komponenter Vedligehold Energiudgifter for R290- og R744 anlægget stk. R744 anlæg stk. R290 anlæg El afrimning Energitilskud Resultater af LCC analyse TEWI-værdi Delkonklusion Kildekritik til afsnit Optimering Flydende kondensering Energi beregning på flydende kondensering kontra kondensering ved 32 C Kritik af programmet Opbygning af flydende kondensering Güntner GMM modul Optimering af anlægsopbygning Konklusion Perspektivering Litteraturliste Bøger PDF og filer Links Billeder Pc-programmer Firmaer Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 5

6 1. Nomenklaturliste AAMS AKV-ventil BLEVE COP Frostanlæg GWP HC kølemidler HFC kølemidler HCFC kølemidler HT-siden KVR-ventil Køleanlæg LCC LFL LT-siden Multi Køl NC ODP R290 R744 Aarhus Maskinmesterskole Elektronisk ekspansion ventil Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion Coefficient Of Performance Kølemaskine som arbejder ved rumtemperatur -18 til -30 C Global Warming Potential Hydrocarboner (kulbrinter) Hydroflourocarboner Hydroklorofluorocarboner Højtrykssiden af et køleanlæg Kondenseringstrykregulatorventil En termisk maskine som flytter varme fra et rum Life Cycle Cost Lower Flameable Level Lavtrykssiden af et køleanlæg Multi Køl A/S, køleentreprenør Normally Closed Ozone Depletion Potential Propan, C3H8 Kuldioxid, CO2 Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 6

7 2. Forord Idéen bag denne rapport er, at belyse fordele og ulemper ved R290 som kølemiddel. Projektgruppen finder det spændende, at kigge på miljørigtige alternativer til de kendte kølemidler. R290 har været brugt som kølemiddel i mange år, men har ikke været udbredt i det 20. århundrede grundet de syntetiske kølemidler, som har været på markedet. Lovgivningen for brug af disse kølemidler er med tiden blevet skærpet, og de naturlige kølemidler vil formentlig vinde større indpas i fremtiden. 2.1 Påskønnelser Projektet kunne ikke være lavet uden den store hjælp, som er blevet ydet til os fra flere sider. Derfor skal der lyde en stor tak til: Poul Høgh, Vejleder under bachelorforløb, Lektor, Aarhus Maskinmesterskole. Svend Vinther Pedersen, Senior Konsulent i køle- og varmepumpeteknik, Teknologisk Institut. Desuden en særlig tak til Multi Køl A/S, for at stille en praktikplads til rådighed, samt den imødekommenhed og interesse vi er altid blevet mødt med ved henvendelser og spørgsmål. Tak til: Svend Nielsen, Salgsingeniør Bent Møller, Direktør Kenneth Haüser, Administrationschef Frederik Grønkjær, Køletekniker Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 7

8 2.2 Læsevejledning Rapporten er opdelt i 3 hoveddele: En teoridel, en anlægsanalyse og en optimeringsdel. Teoridelen henvender sig primært til dem, som måtte ønske en uddybning af den teoretiske del af køleprocessen, men alle uanset profession og niveau kan drage nytte af teoridelen. Alle tryk i denne rapport er angivet i bar(a), absolut. Hovedafsnit 5 og 7 er afsluttet med en lille delkonklusion for at samle op på det gennemgåede stof Bilag Til rapporten medfølger en bilagsrapport, som det anbefales læseren, at have ved sin side under læsningen af denne rapport. Bilagene er placeret i kronologisk rækkefølge, og sidste del af bilagsrapporten udgør en fotoserie med forklaring af de enkelte komponenter på R290 anlægget i Thyborøn Kildehenvisning Såfremt der er benyttet kilder, er disse nævnt i teksten eller fremgår i en parentes. Parentesen henviser til afsnit 11 i litteraturlisten, hvor den komplette kildeangivelse er angivet Beregninger I rapporten er alle beregninger og formler benævnt med nummer. Det er skrevet som (B5.1) som hentyder til beregning 1 i afsnit 5. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 8

9 3. Problemformulering Multi Køl A/S er en landsdækkende totalleverandør inden for køle-, fryse- og klimaløsninger. Virksomheden udfører kundetilpassede løsninger til industri, kontor og marine. Projekternes størrelser er meget individuelle, og spænder fra mindre anlæg som kan sættes op på få timer, til større anlæg hvor konstruktion og opstilling løber over flere måneder. Virksomheden har 21 ansatte og har kontorer i Aarhus, Brøndby og Holstebro. Hovedkontoret har beliggenhed i Aarhus, hvor praktikforløbet blev afviklet. Figur Organisationsdiagram for Multi Køl A/S (Multi Køl). I takt med tidens ånd om en grøn profil samt større krav til kølemidler og miljø, vil Multi Køl gerne tilbyde nye alternativer inden for kølemidler. Disse skal overtage for de gamle HCFCog nyere HFC kølemidler, da de forventes at blive udfaset og erstattet med mere miljøvenlige kølemidler inden for en overskuelig årrække. Dette udsagn underbygges af Eigil Nielsens udtalelser i Ajour programmet 2014: På sigt kan det ikke udelukkes, at man politisk beslutter en udfasning af alle fluorbaserede kølemidler til fordel for naturlige kølemidler (Nielsen, Ajour program, 2014) Under praktikopholdet ved Multi Køl var det primære fokusområde at bistå en salgsingeniør med at konstruere et R290 frostanlæg, til en virksomhed i Thyborøn. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 9

10 Virksomheden ønskede at forøge sin kølekapacitet, og overvejede i første omgang at udbygge deres eksisterende R744 anlæg. Driftsberegninger og energitilskud betød, at R290 anlægget ville være en sundere investering både driftsmæssigt og økonomisk. 3.1 Projektbeskrivelse I denne rapport sammenlignes det opsatte R290 anlæg med et tilsvarende R744 anlæg, og derved belyses fordele og ulemper på begge typer anlæg. Projektet vil primært henvende sig til frostanlæg med kølemiddelfyldninger på over 10 kg, da disse kun må benytte naturlige kølemidler. Derfor sammenlignes R290 anlægget med et R744 anlæg, da dette anses for at være nærmeste konkurrent. 3.2 Problemstilling Det er et problem for miljøet, at mange køleanlæg drives med HFC kølemidler med stor GWP-faktor. Dette underbygges af EU, som har vedtaget F-gas lovgivningen. R290 er et brændbart kølemiddel, og det er forbundet med en risiko at bruge det, hvis ikke de rigtige sikkerhedsforanstaltninger tages i brug. Ydermere vil der også være en naturlig skepsis for kunder om at benytte et nyt kølemiddel og derfor vil denne rapport forsøge, at belyse de tekniske og økonomiske faktorer, som gør sig gældende for et R290 frostanlæg. Projektet vil som nævnt tage udgangspunkt i et nyligt opsat R290 frostanlæg. Dette anlæg er tænkt som et pilotprojekt. Ud over at undersøge tekniske og økonomiske faktorer, vil mulighederne for yderligere optimering af R290 anlægget også blive undersøgt. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 10

11 3.3 Hovedspørgsmål I opgaven vil følgende problemstillinger blive besvaret: Hvor godt et alternativ er et frostanlæg med R290 som kølemiddel, i forhold til et frostanlæg med R744 som kølemiddel, set ud fra et økonomisk, drifts- og sikkerhedsmæssigt perspektiv? o Hvordan kan det nuværende R290 anlæg på Thyborøn Havn optimeres i forhold til anlægskonstruktion, drift og energiforbrug? For at svare på ovenstående spørgsmål, vil følgende emner blive behandlet: Analysere og belyse kølemidlerne R290 og R744 Anlæggenes virkemåde og opbygning Anlæggenes LCC Muligheder for at søge energitilskud Optimering af det opstillede R290 anlæg Ved at behandle ovenstående emner, vil det være muligt at komme rundt i alle aspekter af R290 anlægget, og dermed kan hovedspørgsmålet i problemstillingen besvares. 3.4 Afgrænsning I udarbejdelsen af projektet fokuseres der udelukkende på sammenligningen mellem et totrins R744 frostanlæg med el-afrimning, og et et-trins R290 frostanlæg med varmgasafrimning. Disse to ovenstående anlæg er dimensioneret til samme kuldeydelse og der arbejdes videre med de to anlæg, da det er dem, som har været tilbudt til virksomheden i Thyborøn. Der vil ikke blive analyseret på optimering af det tilbudte R744 anlæg, da dette anlæg ikke fysisk eksisterer. Det tilbudte R744 anlæg, bruges primært til sammenligning af LCC. Ifølge salgsingeniør Svend Nielsen skønnes der, at et ammoniak anlæg typisk vil koste det dobbelte af et kulbrinteanlæg. Køleanlæg med ammoniak som kølemiddel vil derfor ikke blive behandlet, da de på nuværende tidspunkt, økonomisk set, ikke vil kunne konkurrere med R290- og R744 anlæg. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 11

12 4. Metode Formålet med dette afsnit er bibringe læseren en oversigt over de metodemæssige fremgangsmåder, som er benyttet i de enkelte afsnit i rapporten. 4.1 Skrivning Ifølge AAMS s kvalitetssystems dokument om udarbejdelse af afsluttende bachelorprojekt, Undervisningsplan modul 31, bachelorprojekt står der: Den studerende skal lære at arbejde udviklingsorienteret med planlægning og gennemførelse af et projekt. Den studerende skal ved at drage sammenhænge mellem erfaring, praktiske færdigheder og teoretisk viden kunne identificere og analysere problemstillinger, der er centrale i forhold til professionen som maskinmester. Projektet er et casebaseret projekt, som tager udgangspunkt i bachelorpraktik hos virksomheden Multi Køl. Projektet er opbygget som en problembaseret analyse af R290 s muligheder som fremtidigt kølemiddel til frostanlæg med direkte køling. Frostanlægget er placeret i Thyborøn, og af hensyn til virksomhedens anonymitet, vil denne blive omtalt i opgaven som, virksomheden i Thyborøn. Rapporten opbygges efter AAMS s vejledning for dette (Krestens og Andressen, 2012). Som yderligere inspiration til interview teknik, indsamling af data, samt den metodemæssige fremgangsmåde i rapporten er: Filosofiske tilbageblik og guldkorn (Høgh, 2014), Adgang til Empiri gennem søgning i tilgængelig viden (Høgh, 2014) og Videnskabsteori for begyndere (Thurén, 2008) benyttet. Ved henvisning til kilder, figurer, teorier, modeller mv., benyttes Harvard-stilen. 4.2 Kølemidler Informationer for gældende kølelovgivning vil blive indhentet fra Kølebranchens Miljøordning (kmo.dk). Dette er formaliseret viden og informationer fra kmo.dk betragtes som værende pålidelige. De kvantitative deduktive teorier der benyttes til at afdække kølemidlernes termodynamiske og kemiske egenskaber, er fra undervisningsmateriale benyttet på AAMS. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 12

13 4.3 Anlægsanalyse og optimering Data til analyse i dette projektet vil blive indhentet fra Multi Køl. I arbejdet med at få adgang til relevante oplysninger, opsættes der et møde med projektlederen for entreprisen i Thyborøn, salgsingeniør Svend Nielsen. Oplysningerne som har projektets interesse er indkøbspris, drifts- og vedligeholdelsesudgifter som tilsammen udgør LCC. Disse data kategoriseres som kvalitative induktive, da informationerne stammer fra én virksomhed. I forbindelse med indsamlingen af data for R290 anlægget vil virksomheden i Thyborøn blive aflagt et besøg, hvor Multi Køls køletekniker testkører anlægget inden det idriftsættes fuldt ud. Anlægget vil blive gennemgået komponent for komponent, og køleteknikeren vil blive interviewet for at belyse de problemstillinger, som må forventes under en indkøringsfase. Interviewet vil også danne grundlag for, at afsøge anlæggets mulige optimerings muligheder. Interviewet med køleteknikeren betegnes som kvalitativ induktive data. Data for driftsforholdene på R290- og R744 anlægget vil blive beregnet ud fra den optagne effekt på kompressoren under fuldlast. R744 kan køre både subkritisk og transkritisk drift, afhængig af udetemperaturen. Det vil derfor blive antaget, hvor stor en del af året anlægget kører hhv. subkritisk eller transkritisk drift. 4.4 Energitilskud Regler, krav samt baggrund for at kunne ansøge energitilskud ved elselskabet NRGi, vil blive belyst gennem et kvalitativt interview af energirådgiver Steffan Lohff Nielsen. Data fra dette interview vil være både induktiv og formaliseret viden, da Steffan forvalter lovgivningen. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 13

14 4.5 Liste over respondenter I dette afsnit vurderes de enkelte respondenter. Respondent Beskrivelse og vurdering Svend Nielsen, Svend er ansat som salgsingeniør hos Multi Køl, og har stor Salgsingeniør, Multi erfaring med salg og dimensionering af køleanlæg af alle typer. Køl Svend har været projektleder på R290 anlægget i Thyborøn. Svends udtalelser vurderes som valide, da han har stor erfaring i kølebranchen. Multi Køl har en interesse i at få succes med deres R290 anlæg, og kan derfor være farvede i deres udtalelser omkring konkurrerende anlæg. Multi Køl sælger også R744 anlæg som ikke er fra egen produktion, og det vurderes at avancen var blevet den samme, uanset hvilken type anlæg Multi Køl havde solgt til virksomheden i Thyborøn. Frederik Grønkjær, Frederik er ansat som køletekniker hos Multi Køl og har mange års Køletekniker, Multi erfaring i at opstille, indkøre og fejlfinde på alle typer af køleanlæg. Køl Frederik har været formand på den praktiske del af installationen i Thyborøn. Frederiks udtalelser vurderes valide, da han har været i faget i mange år, og har praktisk erfaring som dækker over mange anlæg. Svend Vinter Svend er uddannet civilingeniør og tester nye køle- og Pedersen, Senior varmepumper i forhold til den COP-faktor, som producenten har Konsulent, Køle- og opgivet. Svend har udtalt sig om opbygningen af varmepumpeteknik, varmgasafrimingen på R290. Teknologisk Institut, Svends udtalelser vurderes som valide da han kigget på Aarhus opbygningen af mange forskellige typer anlæg. Herunder også hvilke kriterier der skal være opfyldt for, at et anlæg er energieffektivt. Steffan Lohff Nielsen, Steffan sidder som energirådgiver hos NRGI og til daglig behandler Energirådgiver, NRGi han ansøgninger om energitilskud. Han kender lovgivningen og ved hvilke krav der skal være opfyldt til en energioptimering, før et energitilskud kan ansøges. Han vurderes på den baggrund at fremstå som valid. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 14

15 4.6 Vurdering af indhentet empiri Det vurderes at den indsamlede empiri er valid, da der er udført interviews med 4 respondenter. Ønskes yderligere validering af empirien skal der udføres flere interviews. Empirien ville være mere valid, såfremt der var udført interview med andre køleentreprenører og producenter. Reliabiliteten af de udførte interviews vurderes at være tilfredsstillende. Det forudsættes dog, at personer som udfører interviews har en vis teknisk viden inden for køleanlæg. Maskinmesterens kompetencer, som både teoretiker og praktiker, kommer her til nytte, da der er udført interviews med forskellige fagpersoner fra salgsingeniør til køletekniker. 4.7 Metode ved brug af beregningsprogrammer I rapporten benyttes flere beregningsprogrammer. Programmerne er de samme som anvendes i kølebranchen, hvilket betyder at validiteten af resultaterne må anses at være på et tidsfredsstillende niveau. De anvendte programmer er angivet i litteraturlisten. 4.8 Metode til analyse I afsnit 5.9 under den teoretiske analyse af log(p)-h diagrammerne er forudsætningen at anlægget kører stabilt, og kører med en konstant belastning. Anlægsanalysen i afsnit 6 bygger på studering af anlægsdiagram for R290 anlægget, besøget i Thyborøn, og interviews med salgsingeniør Svend Nielsen og køletekniker Frederik Grønkjær. Under analysen i afsnit 7.4 fokuseres der udelukkende på energiforbrug og COP-faktorer under fuldlast. Denne metode er også set anvendt i kølebranchen, og har dermed sin berettigelse. Det understøttes af den køletekniske undervisning på AAMS, hvor udregningerne er udført med samme metode. Dette er en brugt metode inden for maskinmesterprofessionen, for at kunne sammenligne forskellige anlæg. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 15

16 4.9 Behandling af resultater For at tage højde for usikkerheder under beregninger, afrundes alle resultater til nærmeste hele hundrede. En af grundene er at den optagne effekt på kompressoren variere fra år til år, alt efter niveauet af graddage. Ligeledes har producenter kun oplyst den optagne effekt under fuldlast og ved et givent temperatursæt. Virkeligheden vil ofte være en anden. En anden årsag er den generelle usikkerhed ved optimeringsberegninger, som bygger på antaget data. 5. Kølemidler Dette afsnit bibringer læseren et overblik over de mest anvendte termer og udtryk samt den grundlæggende viden omkring kølemidler og køleteknik.. Dette er for at klæde læseren på til de afsnit, som omhandler analyse, LCC og optimering. 5.1 Kølemidlernes udvikling Kølemidler har gennem tiden forandret sig meget. CFC-gasser er siden 1930 erne blevet brugt som drivmiddel i sprayflasker og kølemiddel i køle- og fryseanlæg. I starten af 1970 erne opdagede amerikanske forskere at klormolekyler fra CFC-gasserne var begyndt at nedbryde ozonlaget. Ozonlaget beskytter imod ultraviolette stråler fra solen, som er medvirkende til hudkræft. Efter CFC kølemidlerne kom udviklingen af først HCFC- og senere HFC kølemidlerne. I udviklingen af kølemidler lægges der vægt på gode termodynamiske egenskaber, samtidig med at kølemidlet ikke må være skadeligt for miljøet. Det betyder at kølemidlet skal have lave værdier for ODP (Ozone Depletion Potential) og GWP (Global Warming Potential). ODP og GWP vil blive gennemgået i afsnit 5.3 og Lovgivning for kølemidler Montrealprotokollen trådte i kraft 1. januar 1989, og forpligter deltagerlandene til at udfase CFC-gasser, som medvirker til nedbrydning af ozonlaget. Kyotoprotokollen trådte i kraft 11. december i 1997, og er en fælles aftale mellem medlemslandene til, at reducere udledningen af drivhusgasser. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 16

17 Ved opsætning af nye køleanlæg med fyldninger over 10 kg må der i dag kun benyttes naturlige kølemidler som kuldioxid, ammoniak eller forskellige kulbrinter (Retsinfomation.dk). Det fremgår af dansk lovgivning, som er vedtaget i forhold til Montrealog Kyotoprotokollen. Fra 1. januar 2015 træder EUs F-gas forordning i kraft, og det betyder f.eks. at kølemidlet R22 ikke må benyttes mere. Det betyder, at der ikke må opsættes nye anlæg med R22, og at eksisterende anlæg, i tilfælde af defekt, ikke må få tilført nyt eller renegeret R22 kølemiddel. F-gas ordningen betyder også, at HFC kølemidler skal begrænses fra år 2016, samtidig med at HFC kølemidler bliver pålagt afgift. Figur 5.1 EUs F-gasordning viser, hvor mange nye installationer der må fortages med HFC kølemidler de kommende år. Samtidig bliver HFC kølemidler pålagt store afgifter, og det må opfattes som et tydeligt signal fra EU om, at der bør satses på naturlige kølemidler fremadrettet (Vonsild, 2014). Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 17

18 5.3 ODP Gamle kølemidler som R12 og R11 indeholdte klor. Ved udslip bliver kølemidlet spaltet af solens UV-stråler, og der dannes kloratomer som reagerer med ozon samtidig med der dannes oxygen og klormonoxid. Klormonoxiden vil herefter igen reagere med et frit oxygenatom, og der dannes nu igen et frit klor-atom samt et frit oxygen-atom. Processen gentager sig selv, og der nedbrydes meget ozon før klor-atomet bliver inaktivt. Processen ser således ud: Figur 5.2 Bindingsdiagram for kølemidlerne R11 og R12, som viser de indeholder klor (Vonsild, 2014). Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 18

19 For at definere hvor farligt et kølemiddel er for ozonlaget er begrebet ODP (Ozone Depletion Potential) defineret. Kølemidlet R12 er brugt som reference og har værdien 1. Figur Oversigt over ODP faktor for forskellige kølemidler. Bemærk alle naturlige kølemidler har en ODP faktor på 0 (Nielsen, 2013). Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 19

20 5.4 GWP-faktor Kølemidler bidrager til forøgelse af drivhuseffekten, som er jordens naturlige måde at holde varmen på. Uden drivhuseffekten ville jorden være et koldt sted. Kølemidler er ved udslip med til at forøge drivhuseffekten, og kølemidlernes skadelige bidrag til drivhuseffekten måles i GWP (Global Warming Potential). Figur Illustration af drivhuseffekten (fjernvarme.info). Figur GWP faktor for de forskellige kølemidler. Bemærk at værdierne er defineret med CO2 til index 1. Der tages udgangspunkt i CO2, da dette er den dominerende drivhusgas i atmosfæren. CO2 sat med værdien 1, set med en tidshorisont over 100 år (Nielsen, 2013). Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 20

21 Figur 5.6 Udviklingen over udledningen af CO2 og ozonnedbrydende stoffer fra år 1950 og frem til år Efter 2010 er udviklingen baseret på prognoser som viser, at CO2 koncentrationen og de ozon nedbrydende stoffer vil falde. Fra 2010 ses det at udbredelsen af HFC kølemidler, vil kunne føre til en ny risiko for overudledning af CO2 og ozonnedbrydende stoffer, og derfor er EU s F-gas ordning indført. (Vonsild, 2014). 5.5 TEWI-faktor TEWI står for Total Equivalent Warming Impact og er en talværdi for både den direkte (GWP) og den indirekte påvirkning af miljøet. Den indirekte påvirkning er et udtryk for det CO2, som dannes ved produktion af den drift-energi, som køleanlægget forbruger. TEWI-værdien kan udtrykkes ved: TEWI = (GWP L n) + (GWP m (1 α rec )) + (n E a β) = Kg. CO 2 (B5.1) GWP Den direkte påvirkning (Drivhuspotentialet) L Lækage af kølemiddel [kg/år] n Anlæggets driftstid [år] m Anlæggets kølemiddelfyldning [kg] α!"# Genvindingsfaktoren [%] E! Anlæggets energiforbrug pr. år [kwh/år] β CO2-emissionen pr. kwh. [kg/kwh] Ved at bruge formel 5.1 er det muligt at sammenligne forskellige køleanlægs direkte og indirekte påvirkning af miljøet, målt på antal udledte kg CO2 til atmosfæren (Guntoft et al., 2003). Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 21

22 5.6 Grundlæggende køleteknik I dette afsnit vil opbygningen af et log(p)-h diagram og en 1-trins kredsproces kort blive gennemgået trins køleproces En et-trins køleproces danner den grundlæggende forståelse for et køleanlægs virkemåde og der vil blive skitseret i 6 trin. Efter figuren vil de 6 trin blive gennemgået. Figur 5.8 er også vist på bilag 1, for at læseren kan se figuren under gennemgang af de 6 trin. Figur 5.8 Log(p)-h diagram for kølemidlet R22, med en indtegnet kredsproces Diagrammet viser de fysiske egenskaber ved et kølemiddel. Det aflæses hvilken tilstandsform kølemidlet befinder sig i ved forskellige tryk og temperaturer, og indsættes en kredsproces i log(p)-h diagrammet kan entalpi ændringer udregnes. Trin 5-6 Varmeoptagelse i fordamperen For at et kølemiddel kan fordampe, kræves der en fordampningsvarme, som skal tages fra det kølerum der skal holdes koldt. Varmen fra kølerummet får kølemiddelet til at fordampe. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 22

23 Trin 6-1 Overhedning Inden kølemidlet kan sendes igennem kompressoren tilføres kølemidlet ekstra varme, for at lave en overhedning af kølemidlet. Det er for at være 100% sikker på, at alt kølemidlet er fordampet, således der ikke kommer væskeslag i kompressoren. Den del af overhedningen er med til at forøge kuldeydelsen, Qe. Trin 1-2 Kompression af kølemiddel Når kølemidlet er på dampform (x>1) kan kompressoren ansuge og komprimere kølemidlet. Trykket stiger og der tilføres varme. Kølemidlet har nu en høj entalpi, som består af energi fra kølerum og kompressor. Trin 2-3 Kondensation, afgivelse af energi For at afgive energi og derved sænke entalpien, må kølemidlet ledes igennem kondensatoren. Kondensatoren leder varmen bort ved hjælp af et andet kølemiddel f.eks. luft eller vand. Dermed kondenser kølemidlet og overgår til væskeform. Trin 3-4 Underkøling af kølemiddel Efter kondensatoren er kølemidlet kondenseret til væske, og herefter vil det yderligere miste varme, inden det sendes igennem ekspansionsventilen. Processen hvor kondenseret kølemiddel afkøles, kaldes underkøling. Trin 4-5 Ekspandering af kølemiddel Kølemidlet sendes gennem ekspansionsventilen, og trykket sænkes. Herefter kan kølemidlet igen optage varme fra omgivelserne i kølerummet. Kredsprocessen i figur 5.8, er illustreret under følgende forudsætninger: Det er en tabsfri proces Ingen trykfald gennem komponenter, rør og ventiler Ingen trykfald gennem fordamper og kondensator Kompressor arbejdet foregår reversibelt adiabatisk dvs. en tabsfri proces hvor der ikke er varmetab eller varmeoptagelse til omgivelserne Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 23

24 Figur 5.9 Kredsproces med fremhævet kuldeydelse og kompressorarbejde (Cool Pack). Ved at studere kredsprocessen nærmere i figur 5.9 kan anlæggets COP-faktor (coefficient of performance) bestemmes. COP-værdien er en faktor for, hvor effektivt køleanlægget er. Det er et udtryk for hvor meget energi der udvindes i forhold til den energi som anlægget bruger. COP-faktoren for et køleanlæg er givet ved: COP = Tilført varme til fordamper,qe Tilført energi til kompression,w (B 5.2) Såfremt den cirkulerede masse af kølemiddel(m) er kendt og de forskellige entalpier aflæses kan værdierne Qe og W beregnes: Qe = h2 h1 m (B 5.3) W = h3 h2 m (B 5.4) Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 24

25 5.8 Farlige egenskaber for propan (R290) Propans farligste egenskab er, at gassen er meget brandfarlig. Når propan kommer på dampform, er blandingen med luft brandbar i koncentrationerne fra 0,038-0,171 kg/m3. Opnås en blanding inden for antændelsesgrænserne er der risiko for en eksplosiv brand ved antændelse. Hvis beholdere som indeholder propan, udsættes for en kraftig varmepåvirkning, er der en risiko for BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion). F.eks. vil en brand nær receiveren, få væsken i receiveren til at absorbere varmen, og dermed tvinge væsken til at koge. Trykket vil stige, og sikkerhedsventilen udløses. Når denne proces er sket et antal gange, vil væskestanden falde. Det overfladeareal på receiveren, der ikke er dækket med væske til at absorbere varmen, vil med tiden blive så varm, at den kan briste. Brister den, vil fyldningen blæses direkte ud til branden, og der kommer nu yderligere næring til branden. Ved brand er det essentielt at få stoppet gasudslippet hvis det er muligt, således at genantændelse kan undgås. Mindre brande kan slukkes med kulsyre-sne eller vand. Under større brande omkring komponenter, kan køling med vand være med til at forhindre BLEVE. Ved lækage eller udslip generelt, er det ligeledes vigtigt at få lukket for udslippet. Herefter skal der straks ventileres eller udluftes til det fri. Dette gøres for at komme under laveste antændelses grænse. Ved udslip er der stor risiko for forfrysning, hvis gassen rammer huden. R290 Propan R744 Kuldioxid Flammepunkt -104 C - Antændelsestemperatur 450 C - Antændelsesgrænser 1,7-10,9 % volumen (0,038-0,171 kg/m3) - Dampmassefylde (Luft=1) 1,5 1,5 Figur 5.17 Brandrelevante oplysninger for R290 og R744. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 25

26 Propan kan ved indånding af større koncentrationer påføre hjertebanken, træthed og eventuelt opkast. Gassen vil fortrænge luftens oxygen, og propan kan i større koncentrationer påvirke centralnervesystemet. Grænsen for hvornår propan kan være til fare for mennesker er ppm. Hvis et menneske er udsat for ppm i mere end 30 minutter, vil der være fare for at alvorlige sundhedsmæssige påvirkninger. Tilskadekomne som måtte have indåndet propan dampe, anbringes i frisk luft. Hvis en person ikke trækker vejret ydes hjertelunge redning (Kemikalieberedskab.dk). 5.9 Farlige egenskaber for kuldioxid (R744) Kuldioxid er et affaldsprodukt, når energi omdannes til arbejde. Mennesker udånder kuldioxid, og det frigives også ved forbrænding af olie og gas. Kuldioxid er ikke brandbart, og er ligeledes ikke giftigt. Det farlige er, når den fremkommer i større koncentrationer, da det har en evne til at fortrænge den ilt som er i luften. Kuldioxidkoncentration (ppm) Påvirkning på menneske Hovedpine og hurtigere vejrtrækning Hovedpine, rødme, sved, øresusen, hjertebanken, uro og åndedrætsbesvær Svimmelhed, mathed, forvirret og åndedrætsbesvær > ppm Irritation af svælg, bevidstløshed og eventuelt krampe > ppm Dødeligt i løbet af få minutter Figur Tabel over kuldioxids påvirkninger på mennesker ved forskellige koncentrationer (Kemikalieberedskab.dk). Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 26

27 5.10 Delkonklusion kølemidler Lovgivningen for kølemidler angiver at der kun må benyttes naturlige kølemidler ved kølemiddelfyldninger over 10 kg. Nedfasningen af HFC kølemidler er dog faktum. På sigt vil det derfor være nærliggende at overveje de naturlige kølemidler, når der designes anlæg med under 10 kg kølemiddelfyldning. R290 og R744 tilhører begge gruppen af de naturlige kølemidler, og er derfor ikke skadelig for miljøet. De er hverken med til at nedbryde ozonlaget eller bidrage til forøgelse af drivhuseffekten. R290 er meget brandfarlig, hvorimod R744 ikke kan brænde. Begge kølemidler vil ved udslip, fortrænge ilt fra luften. Det kan medføre åndedrætsbesvær for mennesker. Især ved ophold i lukkede rum, skal der vises hensyn til dette. Ved brug af R290 skal der tages forbehold, eksempelvis ved at placere anlægget udendørs. Der kan overvejes nødventilation af de rum hvor rørtræk er udført. Der skal opstilles gasdetektorer som kan lukke ned for anlægget i tilfælde af lækager. Herved kan chancen for en utilsigtet brand reduceres. R290 som kølemiddel egner sig bedre til industriområder, hvor en eventuel ulykke ikke ville kunne skade en større menneskemængde. Benyttes R744 som kølemiddel, vurderes det sikkerhedsmæssigt ikke at have nogle begrænsninger i anvendelsesmuligheder. Dog skal der ved installation monteres gasdetektorer som aktiveres ved udslip af kølemiddel. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 27

28 6. Anlægsanalyse over R290 anlæg i Thyborøn Dette afsnit beskriver i detaljer anlægsopbygningen og virkemåde på R290 anlægget. Læseren kan i dette afsnit benytte bilag 12 til 26 i bilagsmappen. Her findes en fotoserie, hvor de enkelte komponenter er vist. 6.1 Opbygning R290 anlægget til virksomheden i Thyborøn, består af 2 separate anlæg med en kuldeydelse på hver 25 kw. Hvert anlæg holder et frostrum på 325 m2 på en konstant temperatur på -22 C. Bilag 1A viser anlægsdiagram af hver kreds. For at holde kølerummet på -22 C, er anlægget dimensioneret med følgende værdier: Kondenseringstemperatur 40 C Underkøling kondensator 5 K Temperatur sugegasledning, før varmeveksler -22 C Temperatur sugegasledning, efter varmeveksler 3 C Temperatur væskeledning, før varme veksler 30 C Temperatur væskeledning, efter varme veksler 15,7 C Fordampningstemperatur -28 C Hvert anlæg et bygget op som et almindeligt 1-trins køleanlæg, bestående af følgende komponenter: 1 stk. Kompressor Frascold Z30-126AXH (bilag 24). 1 stk. Kondensator, Güntner 2x40 kw. Med GMM styrings modul (bilag 17). 1 stk. Receiver 20 L Bitzer (bilag 23). 1 stk. Plade varmeveksler SWEP B-12/32 (bilag 26). 2 stk. Fordampere, Güntner (bilag 15). 2 stk. AK-CC 550 PLC, Danfoss, til styring af fordampere (bilag 27). 1 stk. Tørfilter, Danfoss (bilag 25). 1 stk. Sugegas akkumulator, fra H. Jessen Jürgensen (bilag 20). 2 stk. Ekspansionsventiler, AKV stk. Sikkerhedsventiler, Henry, 20 Bar, HT-siden (bilag 23). 1 stk. Sikkerhedsventil, Henry, 15 Bar, LT-siden (bilag 20). Div. Kontraventiler og magnetventiler, Danfoss. 5 stk. Kuglehaner for at lette servicering af anlægget. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 28

29 6.2 Varmeveksler Kompressoren komprimerer kølemidlet, og sender det videre til kondensatoren, hvor kølemidlet kondenseres, og ender som væske i receiveren. Kølemidlet kører igennem tørfiltere som sørger for, at udskille vand som måtte være kommet ind i systemet. Efter tørfilteret passerer kølemidlet igennem den interne varmeveksler, som har til opgave at underkøle det kølemiddel som kommer fra receiveren. Hermed forlænges underkølingen, da et koldere kølemiddel kan optage mere varme fra fordamperen (se rød streg på figur 6.1). Figur 6.1 Tegning over varmeveksler (eget arkiv). Temperaturerne er kommet fra SWEP beregningsprogram (bilag 2). Varmeveksleren sørger for overhedning af kølemidlet, som er på vej til kompressoren. Hvis der forekommer kølemiddel på væskeform på indgangssiden af kompressoren, opstår der væskeslag i kompressoren. Overhedningen i varmeveksleren inden sugegasakkumulatoren er medvirkende til, at væskeslag i kompressoren undgås (se blå streg på figur 6.1). Varmeveksleren har den funktion, at kølemidlet opvarmes fra -22 C til 3 C, en opvarmning på 25K. Forhøjelsen af temperaturen på sugegas siden af kompressoren, medfører en Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 29

30 højere afgangstemperatur. Det bør derfor undersøges, om kompressoren kan holde til denne temperaturstigning. I Frascolds dimensioneringsprogram, indtastes temperaturen på sugegasledningen efter varmeveksleren, 3 C, og programmet beregner temperaturen på kølemidlet ved kompressorens udgang til 98,7 C. Programmet siger god for, at den valgte kompressor, Frascolds Z30-126AXH, kan holde til udgangstemperaturen på 98,7 C (bilag 3). Frostanlægget kan også bygges uden varmeveksler. Det medfører at indgangstemperaturen til kompressoren er lavere, da der ikke er en opvarmning af kølemidlet efter fordamperen. Det medfører lavere udgangstemperatur på kompressoren. Den temperatur som kølemidlet har på indgangssiden af kompressoren er -20 C. På figur 6.1 er der angivet, at denne temperatur er -22 C. De 2 C temperaturdifferens skyldes en ophedning af kølemidlet i det tekniske hus som kompressoren står i. Huset er varmere end omgivelserne hvor kølemidlet kommer fra, og derfor sker ophedningen. Ifølge Frascold vil udgangstemperaturen, uden varmeveksler være 74,9 C (bilag 3). Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 30

31 På figur 6.2 er kredsprocessen for R290 anlægget i Thyborøn skitseret med og uden varmeveksler. Figur 6.2 Tabsfri kredsproces for R290 anlæg med og uden varmeveksler. Det ses på figur 6.2 at underkølingen i den røde kredsproces er større end den blå kredsproces. Den større underkøling bevirker, at der kan optages mere energi pr. kg. cirkuleret kølemiddel. Den større overhedning i processen med varmeveksler, er en ikke brugbar overhedning da den ikke sker i selve fordamperen, men i rørtrækket mellem fordamper og kompressor. For at beregne effekten af, at installere en intern varmeveksler, benyttes Frascolds beregningsprogram til at fastsætte den reelle COP-faktor, med og uden varmeveksler. Med henvisning til bilag 3, fremgår det, at hvis systemet er opbygget med varmeveksler er COPfaktoren 2,33 og uden varmeveksler er den 2,02. Ifølge salgsingeniør Svend Nielsen, er kølemidlet R290 s egenskaber til at blande sig med olien i kompressoren god. Sugegas-temperaturen før kompressoren på 3 C, der fremkommer af den store overhedning i varmeveksleren, gør at kølemidlet har lettere ved at fordampe fra oliesumpen i kompressoren. Det betyder at den store overhedning i varmeveksleren er med til, at holde kølemiddel og olie adskilt. Dette sikrer at olien kan Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 31

32 opretholde sine smøre egenskaber og samtidig reduceres den mængde olie, som ville have været transporteret med rundt i systemet. 6.3 Pump-down kompressor styring Kompressoren styres ved pump-down funktion. Det er en start-stop styring, og det betyder at kompressoren kører med 100% omdrejningstal under drift. Start-stop funktionen af kompressoren, styres af en lavtryks pressostat som sidder på lavtrykssiden, lige før kompressoren. Når den ønskede temperatur på -22 C i frostrummet er opnået, lukker ekspansionsventilen, som er styret af temperaturfølere placeret i frostrummet. Det resterende kølemiddel i fordamperen vil begynde at fordampe og optage varme fra kølerummet. Når ekspansionsventilen er lukket, vil der ikke blive tilført mere kølemiddel til fordamperen, og derfor vil trykket i fordamperen langsomt falde, i takt med at kompressoren suger kølemiddel-dampene til sig. Det lave tryk registreres af lavtrykspressostaten, og når trykket kommer under det forudindstillede niveau på 1,0 bar, afgives et signal til kompressoren, om at den skal stoppe med at køre. Efter nogen tid vil der grundet varmeindfald til frostrummet, være en højere temperatur. Temperaturfølerne registrerer dette, og giver signal til ekspansionsventilen om at åbne, og der kommer igen kølemiddel i fordamperen. Når kølemiddel lukkes ind i fordamperen uden kompressoren kører, vil trykket stige. Trykstigningen registreres af lavtrykspressostaten, som giver signal til kompressoren om at starte. Processen gentages, når temperaturen på -22 C, i frostrummet er opnået, og ekspansionsventilen lukker. Trykket som kompressoren starter ved, er 2,0 bar. Der er indstillet en differens på 1,0 bar, for at kompressoren ikke skal starte og stoppe kontinuerligt. Differensen er med til at beskytte kompressoren, og samtidig er der lagt en tidskonstant ind på 20 sekunder, fra at trykket på 2,0 bar registreres, til at kompressoren får sit start signal. Det er vigtigt at kompressoren for lov til, at arbejde sig varm hver gang den startes, derfor er tidskonstanten og trykdifferensen indlagt. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 32

33 Elmotorens viklinger tåler ligeledes ikke kontinuerligt start-stop. Under start trækker elmotoren en højere strøm, og der afsættes større varme i viklinger end under normal drift. Sker dette for ofte, kan varmen ikke nå at ledes bort, og motoren kan brænde af. 6.5 Virkemåde af varmgasafrimning Ved normal drift vil fordamperne langsomt blive belagt med et lag af rim og is, grundet den fugt som er i luften, og derfor er afrimning nødvendig. På R290 anlægget foregår afrimningen ved hjælp af varme kølemiddeldampe fra kompressoren, også kaldet hot gas defrost (HGDF). Varmgas afrimningen foregår på følgende måde, og der kan med fordel følges med på bilag 1A: I det øjeblik AKCC-550 styringen kalder på afrimning af fordamper 1, vil ekspansionsventilen(v12) lukke. Der er nu lukket for tilgang af kølemiddel, og det kølemiddel som befinder sig i fordamper 1, vil fordampe indtil fordamperen er tom. Nu lukkes ventilen i sugegasledningen(v13) og det samme gør den magnetventil der sidder efter kondensatoren(v2). Herefter åbner varmgas ventilen(v10), og den varme gas (98,7 C) som kommer fra kompressoren, kører nu via v8 og v10 først igennem en varmespiral som opvarmer bundbakken under fordamper 1, og videre baglæns igennem fordamperen så fordamperen kommer til at virke som en kondensator. Isen smelter til vand og samles i bundbakken, hvor det løber væk via et afløb, som er opvarmet af en elektrisk varmetråd, der er spundet om afløbet. Den varme gas fortsætter igennem kontraventilen(v11). Denne ventil sørger for, at den gas som er kondenseret til væske kommer tilbage til væske-røret. Kølemidlet kører herefter igennem kuglehane v9 og v15, og videre til ekspansionsventilen(v16) i fordamper 2. I ekspansionsventilen sænkes tryk og temperatur, og kølemidlet kan nu optage fordampningsvarme i fordamper 2, som kører tvunget drift. Det betyder at ekspansionsventilen forbliver åben, selvom temperaturen i frostrummet på -22 C er opnået, og dermed opretholdes et flow af kølemiddel. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 33

34 Herefter kører kølemidlet igennem magnetventil(v18), via varmeveksleren og suge gasakkumulatoren, til kompressoren hvorefter den varme gas ledes til fordamper 1, og hele processen kan gentages. Når kølemidlet forlader fordamper 2 som er tvangsåben, er der ikke sikkerhed for, at alt væsken er fordampet. Derfor er sugegas akkumulatoren installeret således der undgås væskeslag i kompressoren. Varmgasafrimningen er indstillet til, at køre indtil omgivelsestemperaturen omkring fordamperen er 8 C. Tiden for at opnå denne temperatur er ca. 15 minutter. Afrimning er sat til at køre hver 4. time. Dette er som en energi- og miljøeffektiv erstatning for elektriske varmelegemer, som ellers skulle have siddet i fordamperen, til at udføre afrimningen. De økonomiske gevinster ved dette er analyseret i afsnit Fordele ved varmgasafrimning Anlægget er opbygget således, at når den varme gas kondenseres til væske i fordamper 1, under afrimning, og ledes videre som væske til fordamper 2. Derved opnås der køleeffekt for det arbejde som kompressoren har lavet under afrimning, da fordamper 1 nu virker som en kondensator. Seniorkonsulent Svend Vinther Pedersen giver medhold i, at opbygningen af R290 anlæggets varmgasafrimning er energieffektiv. Netop fordi at den varme gas kan afrime fordamper 1 og samtidig optage varme i fordamper 2. Det eneste tab ved varmgasafrimning på R290 anlægget, er den varme som måtte udledes til frostrummet under selve afrimningen. Da blæseren på fordamperen er slukket under afrimningen, må det antages at der ikke ledes store mængder varme ud i rummet, men at varmen optages ved faseskiftet fra is til vand. Varmgasafrimningen stopper når omgivelses temperaturen omkring fordamperen har en temperatur på 8 C. Ved el-afrimning er omgivelses temperaturen omkring fordamperen sat til 20 C. På baggrund af dette, må der være en større varmeafgivelses til rummet ved el-afrimning. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 34

35 En anden fordel ved varmgasafrimning er at man opnår en høj varmeoverførsel til isen. Varmen befinder sig på indersiden af et rør, og derfor har man kun godstykkelsen på røret som afstand mellem den varme gas og isen. Elektriske varmelegemer er placeret med 5-10 cm mellemrum. Derfor er de nødt til, at være tændt længere tid, før varmen har spredt sig. Køletekniker Frederik Grønkjær udtaler, at der under varmgasafrimning ses, at når isen bliver smeltet indefra, så er isen mere tilbøjelig til at falde af i store flager. Ved afrimning med elektriske varmelegemer, varmes der ude fra, og derved drypper vandet langsomt af, i takt med isen smeltes. Ovenstående faktorer vurderes, at være skyld i at varmgasafrimningen kan udføres på 15 minutter, kontra el-afrimningen som skal køre i 30 minutter. 6.7 Sikkerhed Når et køleanlæg med et brandfarligt kølemiddel som R290 installeres, benyttes den harmoniserede standard EN-378 som vejledning. EN-378 er ikke direkte lovgivning, men et udpluk fra de forskellige EU-direktiver og danske bekendtgørelser, som skal følges for at sikre at sikkerhedsmæssig lovgivning er overholdt. De vigtigste direktiver og bekendtgørelser som skal benyttes ved installation af et køleanlæg er: Maskindirektivet Trykudstyrsdirektivet Atexdirektivet Arbejdstilsynets bekendtgørelse nr. 99 og 100, som omhandler krav til trykbærende udstyr og krav til køleanlæg Ved at benytte EN-378 til installation af køleanlæg, er der sikkerhed for, at komme omkring alle de vigtige direktiver og bekendtgørelser Brandmyndigheder Inden projekt R290 blev iværksat, blev den ansvarlige brandmyndighed i Thyborøn kontaktet. Projektet blev fra brandmyndighedernes side, vurderet på parametre som beliggenhed og størrelse af kølemiddelfyldning. Desuden ønskede brandmyndigheden en Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 35

36 redegørelse over hvilke sikkerhedsforanstaltninger Multi Køl ville installere, og den præcise placering af de største beholdere. Virksomheden i Thyborøn er kun bemandet af personale, som er instrueret i hvordan de skal handle i tilfælde af brand. Kombineres dette med, at virksomheden ligger på en yderliggende kaj på Thyborøn havn, blev det vurderet, at det ikke udgjorde en stor sikkerhedsrisiko at anvende R290. Der blev til brandmyndigheden oplyst at kølemiddelfyldningen var på 2x15 kg. Derudover blev det oplyst, at Multi Køl ville opsætte gasdetektorer, samt at selve køleanlægget var placeret i det fri. Beredskabsinspektøren godkendte anlægget på en samlet vurdering af disse parametre Gasdetektorer I begge frostrum er der opsat gasdetektorer. Der var i planlægningsfasen tvivl om, hvor detektorerne fysisk skulle placeres. Der blev først foreslået, at de skulle sidde foran fordamperen, således at de kunne sniffe på afkastluften derfra. Ligeledes var et forslag, at de skulle sidde på indsugningssiden på fordamperne. R290 er tungere end luft, så gasdetektoren blev placeret nær gulvet, da det blev vurderet, at uanset om der var en lækage på et rør, en ventil eller ved fordamperen, så vil gassen samle sig ved gulvet. Der er i teknikhuset for kølemaskinen også placeret en gasdetektor, selvom huset er opstillet på taget i det fri. Gasdetektorerne er fra fabrikanten Murco, som bl.a. har specialiseret sig i detektorerne til kølebranchen. De er opbygget med en controller, hvor der kan monteres op til 6 detektorer pr. controller. Laveste brandbare blanding LFL mellem R290 og luft er: 0,038 kg/m3 (Beredskabsstyrelsen.dk). Gasdetektorerne giver et signal ved 20% af LFL. Udløses dette signal, afbrydes alt spænding til anlægget, gennem et relæ. Dette vil bevirke, at kompressoren stopper sin drift, og at alle magnetventiler lukkes, da de er valgt som NC. Det betyder, at hvis magnetventilens spole mister spændingen, vil den lukke. Resultatet af dette er, at når alle magnetventiler lukker, vil der kun opstå et begrænset gasudslip. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 36

37 6.7.3 Pressostater og sikkerhedsventiler Pressostater i et køleanlæg har den funktion, at de beskytter anlægget imod et for højt eller et for lavt tryk. Det gør de ved konstant at overvåge trykket før og efter kompressoren. Som nævnt i afsnit 6.4, kan en lavtrykspressostat også bruges til styring af pump-down drift af kompressoren. Bliver trykket i anlægget for højt, kan der ske skader på komponenter, og bliver trykket for lavt, fordi der ikke kommer kølemiddel til kompressoren, kan den blive varm. Højtryks- og lavtryks-pressostater er ikke kun monteret på anlæg med brandfarlige kølemidler. Men den værdi de indstilles på, skal være mindre end den værdi som sikkerheds ventilerne udløses ved. Højtryks pressostatens maksimale tryk er indstillet til 19 bar. Derved tillades at kondenseringstemperaturen kan nå op på 57 C, før systemet stopper, hvilket må anses for værende usandsynligt under normale driftsforhold. Sikkerhedsventilerne er installeret som sikring for hvis højtrykspressostaten svigter. Højtryks sikkerhedsventilen har et åbningstryk på 20,3 bar, og lavtryks sikkerhedsventilen har et åbningstryk 15,3 bar. Alle sikkerhedsventiler er ført til det fri, for at undgå at have gas inde i teknikhuset i tilfælde af de udløses. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 37

38 Figur 6.6 Skitsering af afgang fra sikkerhedsventiler ført til det fri, for R290 anlæg. Som det ses på figur 6.6 og bilag 23, sidder der to sikkerhedsventiler på receiveren, her er derfor tale om HT-siden af anlægget. Grunden dertil, er at hvis den ene sikkerhedsventil skal skiftes, kan der lukkes for den pågældende ventil ved at dreje for skruen på manifolden. Den manifold som forbinder receiveren med sikkerhedsventilerne, er konstrueret således at der altid vil være gennemgang fra receiveren, til en af de to sikkerhedsventiler. Dermed kan der under service skiftes en ventil af gangen Yderligere tiltag Tørfiltrene er for begge kredse er placeret i det fri. Dette er gjort for at gøre servicearbejdet mere sikkert, for de personer som udfører dette. Der kan lukkes for gennemgang både før, og efter filterindsatsen vha. kuglehaner. Tørfiltrene er med udskiftelig indsats og der vil være en direkte åbning til det fri, når låget er taget af. Den smule kølemiddel der måtte være inden for det aflukkede område, ledes direkte til ud i det fri (se bilag 25). Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 38

39 7. LCC 7.1 Anskaffelsespris på R290- og R744 anlægget I planlægningsfasen blev der både tilbudt et R290 og et R744 frostanlæg til kunden i Thyborøn. Fra Multi Køls salgsafdeling har vi fået oplyst prisen på begge anlæg. Den eksakte kalkulation der ligger til baggrund for priserne, er grundet Multi Køls konkurrence evne, ikke udleveret. Derfor er kun kundens pris oplyst. 2 stk. 25 kw frostanlæg: R290 som kølemiddel Varmgasafrimning Pris reduktion i form af energitilskud, medregnet i samlet pris 1 stk. kompressor pr. anlæg Fælles kondensator for begge anlæg 4 fordampere Rørføring + komponenter Montage og idriftsætning Pris: ,00 kr. 1 stk. 50 kw frostanlæg: R744 som kølemiddel Elektrisk afrimning af fordamper vha. varmelegemer 2 stk. LT kompressor 2 stk. MT kompressor 1 stk. fælles gaskøler 2 stk. fordampere Rørføring + komponenter Montage og idriftsætning Pris: kr. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 39

40 7.2 Forskel på komponenter Grunden til at R744 anlægget er dyrere, skyldes den forskellige anlægsopbygning. R290 er opbygget som et simpelt 1-trins køleanlæg og arbejder ved et max tryk på 13 bar (ved en kondenserings temperatur på 40 C). Alt rørtrækket mellem de forskellige komponenter er udført i kobberrør i størrelsen mellem 1/2 (11,08 mm) til 2-1/8 (51,94 mm). I henhold til trykudstyrsdirektivet tilhører rørføringen sikkerhedskategori 1 (bilag 4). Receiveren på 20 L. tilhører trykudstyrsdirektivet sikkerhedskategori 3 (bilag 5) På R744 anlægget, tilhører rørføringen ifølge bilag 4 sikkerhedskategori 2, da sugegasledningen må dimensioneres som værende 1-1/8 svarende til 28,3 mm. Receiveren tilhører sikkerhedskategori 3, da den antages at være større end 6,7 L (bilag 5). Er sikkerhedskategorien >1 skal der inddrages et bemyndigende organ til, at lave en opstartskontrol på anlægget. Desuden skal de køleteknikere som udfører lodninger, være certificeret af et bemyndigende organ. Ligeledes er der krav om 100% trykprøvning af hele anlægget, før det kan idriftsættes. Dette er eksempler på, regler der skal opfyldes ved installation. R744 anlægget kører både transkritisk drift og subkritisk drift. Anlægget er opbygget som et 2-trins anlæg med 2 kompressorer på lavtrykssiden, og 2 kompressor på højtrykssiden. Ved Transkritisk drift arbejder anlægget med tryk op til 90 bar. Det medfører højere krav til rørtrækket, som skal have en større godstykkelse. Rørtrækket kan også udføres i stål materialer. Ifølge salgsingeniør Svend Nielsen, medfører den større godstykkelse på rørmaterialet, en merudgift på ca. 40%. 7.3 Vedligehold Efter et anlæg er dimensioneret, produceret og sat i drift, må der stadig påregnes udgifter til vedligehold af anlægget igennem hele dets levetid. Hos Multi Køl påregnes det, at hvert anlæg har en levetid på ca. 10 år. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 40

41 Ved salg af anlæg fra Multi Køl oplyses kunden om, hvilke udgifter der må forventes at bruges til vedligehold, gennem anlæggets levetid. Jvf. salgsingeniør Svend Nielsen, er det delt op på følgende måde: Udgifter til et årligt besøg af køletekniker til eftersyn og kontrol af anlægget. Udgifter til defekte komponenter og reparationer gennem anlæggets levetid. Det årlige teknikerbesøg er et lovkrav, som sikrer at en uddannet køletekniker inspicerer anlægget, kontroller komponenter og kontrollerer at vitale hovedele virker som de skal, og godkender anlægget til yderligere et års drift. Anlæg som kører med R744, er opbygget som 2-trins anlæg med flere komplicerede komponenter. Desuden arbejder anlægget ved et højt drift tryk. Jvf. salgsingeniør Svend Nielsen, medfører disse faktorer at der igennem et R744 anlægs levetid forekommer langt flere reparationer, og at dele som kompressor og komponenter har et behov for at blive udskiftet langt oftere, end ved et R290 anlæg. På R744 anlægget bliver fordamperne afrimet ved el-afrimning vha. store varmelegemer. Disse varmelegemer kører 30 minutter hver 4. time. Varmelegemerne bliver udsat for en stor belastning, da de ved opstart er kølet ned til -28 C, og herefter bliver varmet op til en høj temperatur i 30 minutter. Ifølge køletekniker Frederik Grønkjær, må varmelegemerne ofte skiftes igennem anlæggets levetid, da materialet er hårdt udsat, ved den gentagene opvarmning og nedkøling. R290 anlægget kan ifølge salgsingeniør Svend Nielsen sammenlignes med et gammelt R22 anlæg. Det er grundet den simple konstruktion som et 1-trins anlæg har og kølemidlets termodynamiske egenskaber. Han forventer at vedligeholdsniveauet til det nye R290 anlæg i Thyborøn, vil ligne et gammeldags R22 anlæg. For at sætte en omkostning på vedligeholdsudgifterne, bliver anlægsprisen benyttet som reference. Ifølge Svend Nielsen er et antaget bud på vedligeholdsudgifter til R744 anlægget, 100% af anlægsprisen fordelt over anlæggets levetid på 10 år. Ved et R290 anlæg, er vedligeholdsudgifterne noget lavere. Her regnes med 50% af anlægsprisen fordelt over anlæggets levetid på 10 år. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 41

42 Anlæg Anlægspris Vedligeholds udgifter pr. år Vedligeholds omkostninger 10 år R R Figur 7.1 Prisoversigt for vedligehold for R744 og R290 anlæg. 7.4 Energiudgifter for R290- og R744 anlægget For at beregne det årlige energiforbrug på R290- og R744 anlæggene, tages der udgangspunkt i producenternes data for de respektive kompressorer (bilag 3 og 6). Ved beregningerne fastsættes følgende forudsætninger: 1. Kuldeydelsen på det oplyste R744 anlæg er 62 kw, og kuldeydelsen på hver af R290 anlæggene er på 33kW, og derfor multipliceres R290 anlæggets optagne effekter med en faktor På begge anlæg findes der varmetråd til at holde afløbene til afrimning af fordamperne fri for is. Ligeledes findes der varmelegemer til at holde smøreolien varmet op, således den ikke blander sig med kølemidlet. Der ses bort fra elforbrug til disse, da de udgør en minimal del af det samlede forbrug. 3. På R744 anlægget antages det, at der køres subkritisk drift 50% om året. Derfor antages at den optagne effekt til kompressorerne på HT-siden, halveres 6 måneder om året. 4. Det forudsættes at kompressoren i begge anlæg arbejder med 100% belastning ca. 30% af tiden. De 30% er en antaget værdi, og er ens for begge anlæg. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 42

43 stk. R744 anlæg Kuldeydelse Optagne effekt LT-kompressor Optagne effekt HT-kompressor Optagne effekt HT-kompressor 62 kw 10 kw 34,5 kw i 6 måneder om året 17,5 kw i 6 måneder om året Årligt energiforbrug for R744 anlæg: 10kW , 5kW , , 5kW , 5 0, 3 (B7.1) kwh stk. R290 anlæg Kuldeydelse Optagne effekt kompressor 2x33 kw 2x14,13 kw Optagne effekt i alt 28,26 kw Årligt energiforbrug for R744 anlæg: , 26kW 0, kwh (B7.2) Som det fremgår af ovenstående formel 7.1 og 7.2, bruger R290 anlægget mindre kwh. Den store forskel ligger i den periode, hvor R744 anlægget kører transkritisk drift, hvor den har et markant større elforbrug. Forskellen i kwh kan udregnes i procent: kwh,r744!kwh,r290 kwh,r = procentvise forskel (B7.3) kwh! kwh kwh 100 = 20% (B.7.4) Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 43

44 7.4.2 El afrimning I beregninger for energiforbrug tages der udgangspunkt i de opsatte R744 fordampere, som er monteret i Thyborøn. På R744 anlægget afrimes fordamperen vha. varmelegemer og de 2 fordamperne har hver en varmelegeme effekt på 20 kw. De kører afrimning hver 4. time i ca. 30 minutter. Det giver et årligt energiforbrug på: 20 kw 2 stk = kwh/år 4 60 (B7.5) Dermed bliver det samlede elforbrug til R744 anlægget: Kompressordrift Varmelegemer til el afrimning kwh/år kwh/år I alt KWh/år Nu bliver den procentvise besparelse i elforbrug på R290 anlægget: kwh! kwh kwh 100 = 46% (B7.6) 7.5 Energitilskud Da Energistyrelsen har pålagt de danske forsyningsselskaber, at udføre en energibesparende indsats, er det muligt at søge tilskud til energioptimerings projekter. Hvis optimeringen udløser en direkte eller indirekte reducering af energiforbruget, kan tilskuddet søges. Køleentreprenører som Multi Køl kan søge energitilskud, ved et projekt hvor der er udført energirigtige løsninger. Ifølge Energirådgiver Steffan Lohff Nielsen er der krav om, at tilbagebetalingstiden er over 1 år. Han udtaler at tilskuddet kan udbetales ved, at der tilbydes ekstra applikationer ved et anlæg. Det kan eksempelvis være R290 anlægget i Thyborøn, hvor der er installeret varmgasafrimning på fordamperne. Det vil spare nogle kwh elektricitet om året, i forhold til hvis anlægget er installeret med elektriske varmelegemer for, at udføre afrimningen. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 44

45 Energitilskuddet kan kun udbetales såfremt, de optimeringer der sælges med, ikke er de løsninger som er normen i industrien. Da det ikke er normen, at anvende varmgasafrimning, kan der søges tilskud til projektet. Størstedelen af tilskuddet skal udbetales til den kunde som får installeret anlægget. Energirådgiver Steffan Lohff Nielsen, fortæller at den udførende virksomhed højst må beholde 20% af tilskuddet, som en administrationsudgift. Hvis der var installeret fordampere med el-afrimning på R290 anlægget i Thyborøn, ville hver fordamper have en varmelegeme effekt på 18 kw. De ville have kørt afrimning hver 4. time i ca. 30 minutter. Det ville have givet et årligt energiforbrug på: 18 kw 4 stk kwh/år 4 60 (B7.7) Resultatet i B7.7 anses som værende sparet, og det er de kwh som der kan ansøges om energitilskud til. Energitilskuddet i denne situation ville udgøre 25 øre/kwh sparet el. Prisen der udbetales pr. sparet kwh, er noget der aftales mellem installatør/entreprenør og et energiselskab. Det samlede energitilskud udgør: kwh år 0,25 kr kwh sparet = kr (B7.8) Udregningen for tilbagebetalingstid ser således ud: R290 anlæggets pris uden varmgasafrimning: kr. R290 anlæggets pris med varmgasafrimning: kr. Meromkostning for varmgasafrimning: = kr Kundens reelle pris for varmgasafrimning: = kr Den økonomiske besparelse pr. år er bestemt af den pris en kwh koster. Ved en antaget pris på 1,1 kr./kwh, er den årlige besparelse på: 1, 1 kr./kwh kwh/år kr./år (B7.8) Tilbagebetalingtid = mer omkostning!energitilskud sparet energiudgifter 1. år = ! = 1, 29 år (B7.9) Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 45

46 Da tilbagebetalingstiden er over 1 år, er projektet berettiget til et energitilskud. Den pris kommer kunden til gode, da kundens virksomhed kan få tilskud for at vælge en energirigtig løsning. Samtidig kan virksomheden spare penge på elregningen. Varmgasafrimning kan også bygges på et R744 anlæg, men ifølge Svend Nielsen, er denne løsning ikke særligt udbredt. Ved installation af varmgasafrimning på R744 anlæg, må det antages at tilsvarende besparelser kan opnås. 7.6 Resultater af LCC analyse Udgifterne til begge anlæg, set over en 10-årig periode, opsummeres i dette afsnit. Her er inddraget købspris, vedligeholdelsespris og energiudgifter ved en elpris på 1,1 kr./kwh. Tilsammen udgør det LCC. Se beregninger på bilag 7. kr ,00 kr ,00 kr ,00 kr ,00 kr ,00 kr ,00 kr ,00 kr ,00 kr ,00 kr. 0,00 1. år 2. år 3. år 4. år 5. år 6. år 7. år 8. år 9 år 10. år Udgifterne summeret op R290 Udgifterne summeret op R744 Figur 7.2 Graf som viser LCC over for R290 og R744. Forskellen i LCC = ! = 48% (B7.10) Ovenstående beregning viser, at LCC er 48% billigere ved R290 anlægget, i forhold til R744 anlægget. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 46

47 7.7 TEWI-værdi Der ønskes også en sammenligning af de 2 anlæg for, at kunne dokumentere hvilket anlæg, der har den størst skadelige påvirkning på miljøet. Til dette formål bruges TEWIformlen. TEWI -værdien kan udtrykkes ved: TEWI = (GWP L n) + (GWP m (1 α rec )) + (n E a β) = Kg. CO 2 (B7.11) GWP Den direkte påvirkning (Drivhuspotentialet) L Lækage af kølemiddel [kg/år] n Anlæggets driftstid [år] m Anlæggets kølemiddelfyldning [kg] α!"# Genvindingsfaktoren [%] E! Anlæggets energiforbrug pr. år [kwh/år] β CO2-emissionen pr. kwh. [kg/kwh] R744 TEWI = 1 0, , 5 1 0, , 60 = 830 ton CO2 (B7.12) R290 TEWI = 3 0, , , 60 = 450 ton CO2 (B7.13) Som det fremgår af beregning 7.12 og 7.13, bidrager R290 anlægget med mindre udledning af CO2. De data som er brugt i formlen, er fremkommet både ved tabelopslag og ved skøn. GWP-værdien er tabelopslag. Ved lækage af kølemiddel, er der antaget en højere værdi på R744 end R290. Det som ligger til grunde for denne højere værdi, bygger på erfaringer fra køletekniker Frederik Grønkjær og salgsingeniør Svend Nielsen om, at R744 anlæg generelt grundet det højere tryk, er mere utæt. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 47

48 Værdien for et køleanlægs levetid er fastsat ud fra Multi Køls erfaringer, og er ens for begge anlæg. Kølemiddel fyldningen er fastsat ud fra størrelsen af fordampere, rørdimensioner mm, og dermed er R744 anlæggets kølemiddels fyldning ca. 50% mindre end R290 (Multi Køl). Genanvendelsesraten dækker over genbrug af kølemiddel. Her er antagelsen ens for begge anlæg. Den helt store forskel er forbruget af energi. Som det er vist i afsnit 7.3 og 7.4 gør den forskellige anlægsopbygning, at R290 anlægget er billigere end R744 anlægget. Energiforbruget udgør en stor andel i TEWI-regnskabet. Derfor vil et lavere energiforbrug altid være medvirkende til en lavere TEWI-faktor. CO2-emission pr. produceret kwh data, er taget fra Køleteknik (Guntoft et al.,2003). 7.8 Delkonklusion I afsnit 7 sammenlignes 2 køleanlæg. R290 anlægget findes fysisk og er i skrivende stund ved, at blive testet for den korrekte opsætning og indkørt til drift. De data som ligger til baggrund for beregningerne i afsnit 7, er taget fra Multi Køls beregninger for dimensionering af dette køleanlæg. Derfor vurderes det, at resultaterne til R290 anlægget er af en troværdig karakter. R744 anlægget eksisterer ikke, og data for dette anlæg er kommet fra Multi Køl og nogle data er blevet antaget. Energiforbruget spiller en væsentlig rolle og der er i beregningerne taget højde for, at R744 anlægget kører både transkritisk drift og subkritisk drift. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 48

49 De største forskelle på disse R290 og R744 anlæg: R290 R744 Kompressions trin 1 2 Max tryk 16 Bar 90 Bar Antal kompressor 2 4 Specielle krav til komponenter Nej Ja El afrimning Nej Ja Varmgas afrimning Ja Nej Mulighed for energitilskud Ja Nej Energi forbrug pr. år kwh kwh Vedligeholdsudgifter pr. år kr kr. Anlægspris Kuldeydelse 2x25kW 1x50kW Udledning af CO2 over 10 år 450 tons 830 tons Figur 7.3 Tabel over de væsentligste forskelle på de sammenlignede køleanlæg. Ud fra analysen konkluderes det, at R290 anlægget er langt det mest økonomisk og driftsikre anlæg. Dette resultat kommer til udtryk ved egne beregninger, og bliver suppleret med erfaringer fra Multi Køl. Den samlede CO2-udledning til atmosfæren i hele R290 anlæggets levetid, er markant lavere end hvad R744 anlægget udleder. 7.9 Kildekritik til afsnit 7 Empirien fra R744 anlægget kommer fra Multi Køl. Multi Køl kan have en interesse i, at favorisere deres R290 anlæg og derfor kan det ikke udelukkes, at data fra henholdsvis køletekniker og salgsingeniør kan bære præg af dette. For at få belyst empiren mere objektivt, kunne et andet kølefirma have været inddraget i processen, gerne en producent af R744 anlæg, hvorfra de ønskede data kunne være indhentet. Herved kunne data fra henholdsvis R290 og R744 anlægget være blevet oplyst fra hver sin producent. For at vurdere de 2 forskellige anlæg mest objektivt, må hvert anlæg opstilles fysisk og blive udsat for samme belastning over længere tid, f.eks. et år. Under denne forsøgs periode Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 49

50 skulle der systematisk udføres målinger med godkendt kalibreret måleudstyr for derved, at måle optagne effekter, udledning af CO2, lækage af kølemiddel mm. Grundet tidsfaktoren og omfang af denne rapport, har denne fysiske opstilling ikke været mulig. Empiri kommer fra én kilde, og sammenholdt med at benytte det lærte teori fra maskinmesteruddannelsen, er analysen af de 2 anlæg udført, med de værktøjer som studerende må forventes at have til rådighed. 8. Optimering I dette afsnit belyses optimerings muligheder på R290 anlægget. 8.1 Flydende kondensering R290 anlægget i Thyborøn kører med en konstant kondenseringstemperatur på 32 C. Det kunne derfor være interessant at analysere, om der kunne være en fordel i, at ændre kondenseringstrykket i nogle perioder af året. Bliver udetemperaturen høj nok til, at der ikke kan kondenseres ved 32 C, vil systemet selv hæve kondenseringstrykket. Der sker samtidig det, at blæserne på kondensatoren vil køre op i omdrejning, i et forsøg på at sænke kondenseringstrykket. I koldere perioder hvor kondenseringstemperaturen på 32 C let kan holdes, grundet lave udetemperaturer, kan der måske være en fordel i, at sænke trykket i kondensatoren yderligere. Den tanke kommer af grundlæggende køleteknisk viden om, at jo højere temperatur der kondenseres ved, jo højere skal trykket være. Desto højere tryk kompressoren skal trykke op imod, desto ringere virkningsgrad får den. Hvis trykket sænkes, vil elforbruget på kompressoren reduceres. Samtidig kan hvert kg cirkuleret kølemiddel optage mere energi, ved lavere kondenseringstemperatur. Det forudsættes at underkølingen er konstant på 5K (bilag 9). Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 50

51 For at undersøge om der er grundlag for at ændre kondenseringstemperaturen, er følgende spørgsmål relevant: Kan R290 anlægget fungere, ved en tryksænkning i anlæggets højtryksside? Og hvad er det laveste tryk, hvorved anlægget stadig kan fungere? Den største udfordring ved at sænke kondenseringstrykket er, at ekspansionsventiler kræver en trykforskel for at kunne arbejde. Figur 8.1 Datablad for Danfoss AKV-ventil (Danfoss Ventilkatalog). I figur 8.1 ses det, at den AKV10-7 ventil som er valgt til anlægget i Thyborøn, kan levere den ønskede mængde kølemiddel ved en trykforskel(δp) på 4 bar. En Δp på 4 bar kan give 14,4 kw køleffekt. For at have den ønskede kuldeydelse på minimum 12,5 kw til rådighed, vælges en Δp på 4 bar. Trykket ved fordampningstemperatur på -28 C svarer til et tryk på 1,8 bar. Der vil være et trykfald i væskeledningen fra kondensatoren og frem til ekspansionsventilen. Trykfaldet i væskeledningen på 45 m (yderste fordamper) er beregnet til 0,24 bar (bilag 8). 1, , 24 = 6, 04 bar (B8.1) Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 51

52 6,04 bar må være det laveste kondenseringstryk, der kan køres på, hvis kapaciteten på 12,5 kw på hver fordamper skal overholdes. 6,04 bar svarer til 8,1 C kondenseringstemperatur. Flydende kondensering betyder, at kondenseringstemperaturen hele tiden ligger på et forudindstillet niveau over udelufts temperaturen. Kondenseringstemperaturen vil falde, hvis udetemperaturen falder. Størrelsen på temperaturforskellen(δk) imellem kondenseringstemperaturen og udelufts temperaturen er bestemt af størrelsen på kondensatoren. Det væsentlige er, størrelsen af varmeoverføringsarealet på kondensatoren, samt hvor mange kg luft blæserne kan skubbe igennem kondensatoren. Kondensatoren til R290 anlægget i Thyborøn er forholdsvis lille. Det betyder, der skal opereres med en temperaturforskel på 14K imellem udelufts temperaturen og kondenseringstemperaturen. Er udelufts temperaturen eksempelvis 26 C må kondenseringstemperaturen ligge på 40 C. På bilag 9 fremgår det, at kompressionsarbejdet er væsentligt mindre ved en kondenseringstemperatur på 10 C end ved 40 C. Her ses det også, at den energi der kan optages i fordamperen pr. kg kølemiddel, er væsentlig større. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 52

53 8.2 Energi beregning på flydende kondensering kontra kondensering ved 32 C For at estimere energibesparelsen, er begge anlæg simuleret i programmet Pack Calculation Pro, som er et program der indeholder vejrdata for hele verden. Programmet kan simulere, hvor mange kwh et angivet køleanlæg forbruger over et år. I programmet vælges en eller flere kompressorer, alt efter hvordan anlægget er opbygget. Derefter angives hvor stor køleeffekt anlægget er dimensioneret til, og der indtastes data som fordampningstemperatur, kondenseringstemperatur og andre fysiske forhold. Til sidst angives et geografisk område, som programmet har vejrdata for. I denne simulering er København valgt, da det geografisk er den tætteste valgmulighed. I programmet er den optagne effekt, for den nuværende kompressor beregnet. Både med flydende kondenseringstemperatur som varierer efter udetemperaturen, og en konstant kondenseringstemperatur på 32 C. Systemerne er valgt med følgende specifikationer: -28 C fordampningstemperatur 1 stk. kompressor 25 kw køleeffekt Temperaturforskel på 14K imellem udetemperatur og kondenseringstemperatur på anlægget med flydende kondensering (som anlægget i Thyborøn) Intern varmeveksler, og med samme temperaturer før og efter denne, som i det virkelige anlæg Det ses på bilag 10, at ved konstant kondenseringstemperatur på 32 C, er det beregnede energiforbrug over et år på kwh. Ved flydende kondensering er det årlige energiforbrug beregnet til kwh. På bilag 10 ses ligeledes en kurve over energiforbrug fordelt på årets måneder. Det interessante er den procentvise energibesparelse, som er på: ! = 14% (B8.2) Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 53

54 Den manuelle energiberegning fra afsnit 7.4 på R290 anlægget, gav et årligt energiforbrug på kwh. Overføres den procentvise besparelse hertil, giver det et årligt energiforbrug på: ! kwh/år (B8.3) Det er en forskel på: kwh kwh = kwh/år (B8.4) Ved at indføre flydende kondensering på R290 Anlægget i Thyborøn, kan der årligt spares kwh. 8.3 Kritik af programmet Beregnings programmet er af en neutral karakter, som ikke vil fremhæve nogle bestemte anlæg frem for andre. Det må antages, at de resultater programmet kommer med, ikke er 100% korrekte. Det mest korrekte vil være at have to ens anlæg, og lave flydende kondensering på det ene anlæg, og drive det andet anlæg ved konstant kondenseringstemperatur. Her måles elforbruget over et år, og derefter sammenlignes resultatet. Denne udregning der er lavet i Pack Calculation Pro, vurderes dog at være af en tilfredsstillende karakter. 8.4 Opbygning af flydende kondensering Alle kondensatorer til køleanlæg er monteret med en blæser. Kører blæseren, fjernes der varme fra kondensatoren, og trykket i kondensatoren vil falde. Er blæseren stoppet og kompressoren kører, så vil trykket i kondensatoren stige. I dag er de fleste kondensatorblæsere styret med en frekvensomformer. Frekvensomformeren arbejder ud fra et setpunkt som indstillet efter den ønskede kondenseringstemperatur. Inde i kondensatoren sidder en tryktransmitter, som omsætter det aktuelle tryk til en temperatur. Det er denne temperatur som styrer frekvensomformeren. På R290 anlægget i Thyborøn er denne temperatur indstillet på 32 C. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 54

55 Hvis denne temperatur overstiger setpunktet, starter blæseren. Er forskellen på temperaturerne stor, så vil blæseren køre med højt omdrejningstal, og er forskellen lille, så vil blæseren køre med lavt omdrejningstal. Skal der opereres med flydende kondenseringstemperatur, så skal sætpunktet kunne flyttes i forhold til udetemperaturen. For at måle udetemperaturen, må en temperaturføler placeres udenfor. Den målte udetemperatur + 14K, bliver setpunktet. Eksempelvis ved 15 C udetemperatur: Setpunkt = 15 C + 14K = 29 C (B8.5) 8.5 Güntner GMM modul På side 58 i manualen for kondensatorstyringen, som sidder i Thyborøn (bilag 11), fremgår det at kondensatorstyringen har denne funktion indbygget. Der skal monteres en temperaturføler udendørs, som kan arbejde sammen med den eksisterende styring. Herefter indstilles temperaturerne under fanebladet flydende kondensering, som vist på bilag 11. Anlægget vil nu arbejde med flydende kondensering Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 55

56 8.6 Optimering af anlægsopbygning Køletekniker Frederik Grønkjær udtaler, at placeringen af KVR-ventil(V1) og den parallelt siddende magnetventil(v2), kunne være placeret mere optimalt. Ventilernes nuværende placering udgør et problem. Når magnetventilen(v2) lukker under varmgasafrimning, så vil den varme kølemiddelgas fylde kondensatoren op med kølemiddel. Gassen skulle i stedet være ledt ud i varmgasledningen til, at forsyne en fordamper med varm gas. Figur Den nuværende opbygning af anlægget. Figur Optimal ventil placering mellem kompressor og kondensator. Opbygningen på figur 8.3 bevirker, at når magnetventil(v2) lukkes, vil der øjeblikkeligt ledes varm gas ud til den fordamper, som skal afrimes. Udføres opbygningen på denne måde, vil man kunne reducere kølemiddelfyldningen. Grunden til dette er, at en del af kølemiddelfyldningen er påfyldt, for at kompensere for den forkerte ventil placering. En mindre fyldning vil reducere faren ved en brand. Derudover vil tiden for varmgasafrimningen kunne reduceres. Den reducerede tid vil modsvare den tid, som det ved figur 8.2 tager, at fylde kondensatoren op. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 56

57 9. Konklusion Det kan konkluderes at, et frostanlæg med R290 som kølemiddel på flere områder er en bedre løsning, end et frostanlæg med R744. Økonomisk set er et frostanlæg med R290 en bedre investering, end et frostanlæg med R744. Kølemidlet R290 har nogle gode termodynamiske egenskaber, som gør energiforbruget lavt og dermed mindsker udledningen af CO2. Driftmæssigt arbejder R290 anlægget ved lavere tryk, som giver en simpel anlægsopbygning, som igen betyder, at almindelige komponenter kan benyttes. R290 frostanlægget er med varmgasafrimning, hvilket medfører en yderligere reducering i energiforbruget i forhold til R744 frostanlægget, som kører med traditionel afrimning med elektriske varmelegemer. R290 anlægget er igennem den forventede levetid på 10 år, 66% billigere i vedligeholdsudgifter end det tilsvarende R744 anlæg. Det skyldes at kompressorer og komponenter bliver hurtigere nedslidt, ved arbejde med højt tryk. Derfor må det forventes, at hovedele på R744 anlægget skal skiftes i levetiden, mens hovedele på R290 anlægget kan holde levetiden ud, dog med mindre skift af sliddele. LCC er for R290 anlægget 48% billigere end LCC for R744 anlægget. Sikkerhedsmæssigt skal der tages forbehold ved R290 frostanlæg, da propan er et brandfarligt kølemiddel. Det betyder at det primært vil henvende sig til industrien, da der vil være en større risiko ved, at installere et R290 anlæg i f.eks. et supermarked. Hver gang et R290 anlæg projekteres, kræves der en individuel risikovurdering, dette udføres med hjælp fra EN-378 og den lokale brandmyndighed. Det er brandmyndigheden, som giver den endelige godkendelse. Som minimum skal der altid installeres gasdetektorer, der ved registrering af kølemiddel udslip, kan stoppe driften og aflukke sektioner på anlægget f.eks. vha. magnet ventiler. God ventilation i tilfælde af udslip, og muligheder for at placere anlægget udendørs, er yderligere tiltag som kan mindske faren for uheld. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 57

58 Ved at indføre flydende kondensering således, at kondensatortrykket styres af udetemperaturen, viser beregninger at, der kan spares ca. 14% på det nuværende energiforbrug. Dette er set i forhold til den nuværende løsning, hvor kompressoren altid trykker op til et tryk, som svarer til en kondenseringstemperatur på 32 C. Rent driftmæssigt kan KVR-ventilen(v1) og den parallelt placerede magnetventil(v2), flyttes fra afgangssiden af kondensatoren, til indgangssiden af kondensatoren. Det vil medføre en hurtigere afrimning, da kompressoren ikke først skal fylde kondensatoren med kølemiddel, men i stedet kan sende det varme kølemiddel direkte til fordamperen, hvor det bruges til afrimning. Ved at udføre denne optimering kan kølemiddelfyldningen i anlægget reduceres. Derved er anlægget mindre farligt, og omfanget af en eventuel ulykke vil blive reduceret. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 58

59 10. Perspektivering I Arbejdet med denne rapport er der opnået viden, som viser at R290 er et godt alternativ til rækken af de naturlige kølemidler. Ved nyinstallation af frostanlæg, hvor en virksomhed er tvunget til at bruge naturlige kølemidler, grundet 10 kg reglen, er der med denne viden lagt et større fundament for, at træffe den rigtige beslutning, når valget står imellem R744 og R290. R290 er grundet F-gas lovgivning fra EU, et af alternativerne til fremtidens frostanlæg. Under flere foredrag på Ajour 2014 fremgik det, at afgiften for HFC kølemidler vil stige i de kommende år. Grundet F-gas ordningen vil nedfasningen for HFC kølemidlerne blive reguleret med et kvotesystem startende fra Det betyder at på mindre frostanlæg hvor kølemiddelfyldningen er under 10 kg, vil det også være oplagt at overveje R290 som kølemiddel. Står en virksomhed overfor, at skulle designe et frostanlæg, kan der med fordel kigges på opbygningen af anlægget i Thyborøn. Implementeres der allerede fra designfasen flydende kondensering, og rykkes KVR-ventil og magnetventil på tilgangssiden til kondensatoren, vil resultatet være et energivenligt anlæg. Potentialet for en energireduktion i det store perspektiv er stor ved, at overføre flydende kondensering til eksisterende køleanlæg, og installere det på nye køleanlæg. Hvis de installerede køleanlæg kan spare 5-15% i energiomkostninger, kan der reduceres meget på den samlede CO2 udledning. Samtidig kan der spares penge, for de virksomheder som har køleanlæg installeret. Flydende kondensering kan implementeres på alle typer af køleanlæg, og ved brug af alle slags kølemidler. Energibesparelsen vil være størst på proceskøleanlæg og frostanlæg, da de har driftstid året rundt og dermed kan udnytte de lavere temperaturer i vinterhalvåret. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 59

60 11. Litteraturliste 11.1 Bøger Thurén, T., Videnskabsteori for begyndere. 2. udgave, 2. Oplag. Forlaget Rosinante & Co, København K. Guntoft, S. et al., Køleteknik Termodynamisk grundlag, beregning, dimensionering. 2. udgave. Nyt teknisk forlag, København V. Nielsen, E., Noget om køleteknik bind 1 & udgave. Forlaget Eigil.dk, Viby J PDF og filer Krestens, H. et al., januar Vejledning i rapportskrivning, 5. udgave Udleveret som undervisningsmateriale på AAMS Høgh, P., 2014A. Filosofiske tilbageblik og guldkorn. Udleveret som undervisningsmateriale af Poul Høgh Høgh, P., 2014B. Adgang til Empiri gennem søgning i tilgængelig viden. Udleveret som undervisningsmateriale af Poul Høgh (Designmanual) Pedersen, S., Kulbrinter i mellemstore anlæg. Tilgængelig via: [Senest hentet eller vist d. 10. december 2014] Vonsild, A., November Kølemiddel situationen nu og fremadrettet. PowerPoint fremvist på Ajour messen d. 27. november 2014 Anvendte PowerPoint sider findes på bilag 28. Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 60

61 (Danfoss ventilkatalog) Tilgængelig via: V_VS.pdf. [Senest hentet eller vist d. 5. december 2014] (Güntner) Manual til styring og hastighedsregulering af EC-ventilator. Tilgængelig via: GMM_EC_Manual_Version1.9_DA.pdf [Senest hentet eller vist d. 10. december 2014] 11.3 Links Ajour Programmet 2014 Tilgængelig via: [Senest hentet eller vist d. 5. december 2014] (Retsinformation.dk) Retsinformation, Bekendtgørelse om regulering af visse industrielle drivhusgasser. Tilgængelig via: [Senest hentet eller vist d. 4. december 2014] (Beredskabsstyrelsen.dk) Beredskabsstyrelsen, Kemikalieberedskab farekort for propan Tilgængelig via: [Senest hentet eller vist d. 5. december 2014] (Kmo.dk) Kølebranchens Miljøordning Tilgængelig via: [Senest hentet eller vist d. 11. december 2014] Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 61

62 11.4 Billeder (fjernvarme.info) Tilgængelig via: [Senest hentet eller vist d. 5. december 2014] 11.5 Pc-programmer (Cool Pack) Refrigeration Utilities version 2,84 Udvikler: Department of energy Engineering Technical University of Denmark Tilgængelig via: [Senest hentet eller vist d. 9. december 2014] (Frascold) Frascold selection software version 2.0 Udvikler: Frascold compressor Tilgængelig via: [Senest hentet eller vist d. 9. december 2014] (Pack Calculation) Pack Calculation Pro version 4,00 Udvikler: IPU, Refrigeration and Energy Engineering Tilgængelig via: [Senest hentet eller vist d. 9. december 2014] Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 62

63 (KKO) Kølebranchens Kvalitetssikringsordning version 2,18 [Licensbetalt af Multi Køl A/S] Tilgængelig hos Multi Køl. Udvikler: Kølebranchens Kvalitetssikringsordning [Benyttet d. 9. december 2014] (SEE Electrical) SEE Electrical version V7R2-Build 11 [Licensbetalt af Multi Køl A/S] Tilgængelig hos Multi Køl. [Benyttet d. 9. december 2014] (SWEP) SWEP SSP G7 version Udvikler: SWEP Tilgængelig via: [Senest hentet eller vist d. 9. december 2014] 11.6 Firmaer (Multi Køl) Multi Køl A/S Holmstrupgaardvej Brabrand Tlf Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 63