Nyudviklet chiller med CO 2 Kim G Christensen og Torben M Hansen Århus V 02.09.2007
Agenda Præsentation af Advansor Baggrund for udvikling af CO 2 chillere Teknisk udvikling til færdigt produkt Karakteristika for CO 2 chillere s drift, særligt under danske forhold Praktiske forhold for opstilling, servicering og vedligehold Energiforbrug og frikøling CO 2 chillere: Produktprogram Konklusion
Om ADVANSOR ADVANSOR er en teknologi- og produktionsvirksomhed på energiområdet indenfor køleanlæg og varmepumper Vi bruger CO 2 teknologi til CO 2 reduktion ADVANSOR udvikler, producerer og udfører projekter indenfor Bygninger Procesindustri Fødevarefremstilling Energi-sektor (kraft-varme) Supermarkeder Vi samarbejder med leverandører, kunder, partnere, brancheorganisatoner, GTS er, universiteter, myndigheder for fremme af bæredygtige energisystemer
ADVANSORS produkter compheat: Varme- og Kraftvarme-produktion Produkter skræddersyede til varme- og kraftvarmeanlæg. Direkte tilkobling til gasmotoren uden forstyrrende indgreb på vandsiden. Varmen leveres direkte til fjernvarmenettet mellem 80-90 o C. compbine: Kombineret og kuldeproduktion Integreret anlæg til samtidig produktion af varme og kulde. Producerer varmt ved 80-100 o C og koldt vand til forbrug eller isbank. Anvendelse bl.a. til pasteurisering af fødevareprodukter samt fremstilling af varmt vand til rengøring samtidig med kulde compfort: Kuldeproduktion Koldtvandsanlæg til luftkonditionering eller proceskøling
Baggrund for udvikling af luftkølede CO2 chillere HFC - lovgivning: Max 10 kg HFC pr kreds i praksis begrænsning på 60-80 kw for luftkølede aggregater Andre naturlige kølemidler giftige eller brændbare tørkøleropstillinger med forhøjet energiforbrug CO 2 påtænkt at lukke hullet optil større ammoniakanlæg området mellem 80-400 kw
CO2-chillerens design T P Oversvømmet fordamper Kompressor Olieudskiller Sugegasventuri Ekspansionsventil Kondensator/ gaskøler
Chillerens design
Kompressor Semihermetisk kompressor (Dorin) Mere end 10 års erfaring Bredt arbejdsområde PAG Breox 65 (opløselig med CO2) Oliepumpe og olieniveau Ekstern oliekøling 0,60 Meget pålidelig drift (ingen prob.) 0,55 0,50 Høje virkningsgrader ved lave 0,45 0,40 trykforhold 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 Range of chiller operat ion eta_v [-] eta_i real Poly. (eta_i real) Poly. (eta_v [-]) 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00
Oliehåndtering Svær pga. af høje olieafkast fra kompressorer og lille densitetsforskel mellem gas og væske (både PAG og POE) Olieseparatorer med filter (coalescer) Niveau-switche i kompressorer og oliereservoir (elektronisk styret) Sugegas-venturi sikrer olieretur fra fordamper
Fordamper Oversvømmet shell and tube Meget høje varmeovergangstal ved pool boiling (høje reducerede tryk) Fungerer samtidig som receiver God væskeudskilning ingen væskeslag Rolig og stabil drift (DX er mere følsom ) 12/7 C med 4 C fordampning kan optimeres yderligere vandsiden er vigtig
Kondensator/ gaskøler T [C] Pinch-punkt dt for kondensator Pinch-punkt Temperatur- approach dt = 10 K dt_pinch = 1-2 K s [J/kg K] dt_approach = 2-3 K dt_pinch = 4-8 K s [J/kg K]
Gaskølerdesign en væsentlig del af udformningen 80 Matche kapacitets-strømme Generelt lavere luftmængder Lavere støj-niveau Temperature [ C] 70 60 50 40 30 Refrigerant Air Høj varmeovergang ved høj dt Ingen behov for cuttede finner 20 10 0 4 8 12 16 20 850 Step (Counter flow) U[i] dt_gk_ud = 2K kan nås uden prob. dt_kond = 6K U[i] 800 750 700 650 600 0 4 8 12 16 20 Step[i]
32 31 30 29 Adiabatisk befugtning Effektive kondensatorer: Dårlig sommer ingen transkritisk drift T_luft T_C_køl T_liq_kond P_C_køl P_C_køl_ref 28 27 26 25 09-08-2007 14:52 09-08-2007 15:00 09-08-2007 15:07 09-08-2007 15:14 09-08-2007 15:21 09-08-2007 15:28 09-08-2007 15:36 T_amb = 22 C 3,55 3,5 3,45 3,4 COP 3,35 3,3 3,25 3,2 3,15 12-07-07 14:31:12 12-07-07 14:38:24 12-07-07 14:45:36 12-07-07 14:52:48 12-07-07 15:00:00 12-07-07 15:07:12 12-07-07 15:14:24 TID
Øvrige komponenter Vand i CO2-anlæg anvendelse af tørrefilter Der skal ikke løbes nogen risiko vedr. syre-dannelser Molecular sieve anvendes i alle Advansor s anlæg Sugemanifold Integreret oliekøling, væskeudskiller og olieretur Valg af ventiler (høje tryk og også store differenstryk) Reguleringsventiler Magnetventiler (servo og direkte) Afspærring Rørsystemer og fleksible slanger (tæthed, styrke) Rør i P235GH TIG-svejst/ Olie: hydraulikrør Service-venligt design
Styring det hele i én med styr på alt Egenudviklet styring (Beckhoff) Kompressor-pack P_0: PI-reg med indlagte dødtider Køretidsudligning Sikkerhed (HT/LT), vand-flow, olie, termistor Oliehåndtering Kondensator/ gaskøler Blæserstyring Befugter-styring HT-styring Øvrige Kommunikation til bruger/ overvågn. Service-mode Flex. opbygning - I/O for andre komp. Redondans P_0/ T_vand P_gk_ud [bar] 90 85 80 75 70 65 60 55 50 T_trans_min (73 bar): 27C Hældning_trans: 2 bar/k Underkøling_sub: 2,5 K Hysterese_sub/trans: 2 K T_trans_min (73 bar): 26,5C Hældning_trans: 2 bar/k Underkøling_sub: 2 K Hysterese_sub/trans: 2 K 20 25 30 35 T_gk_ud [ C] Kurve 2 Optimal COP Kurve 1
Metode for udvikling: Modularisering Kompressor-modul Det samme hver gang Samme suge- og trykmanifold Samme oliekøling Samme oliehåndtering Samme PLC-styring Produktion til lager samt stor volumen Valg af komponenter er kan anvendes i ALLE produkter Ventiler, beholdere, el-tavle, sugemanifold, pressostater, transmittere, sensorer, manometre, filtre, skueglas, fittings, rør osv.
Udvikling af nye køleanlæg hvorfor tager det så lang tid? Valg af design/ princip Udvikling af anlægget valg af komponenter Opbygning af prototype Prototype til test en lang, men vigtig proces Oliehåndtering, kompressorer, varmevekslere, ventiler, styring 0-serie produktions-optimering Dokumentation Fremstillingskontrol og CE-mærkning Markedsføring og salg
Men nu er vi her 300 kw / 8-127
Men nu er vi her
Praktiske forhold ved CO 2 chillere Nem opstilling færdigt udendørs aggregat indendørs køleaggregat / udendørs kondensator aggregat lempelige krav til opstilling indendørs Sikkerhed høj personsikkerhed høj installationssikkerhed Service og vedligehold Semihermetiske kompressorer Kølemiddel kan afblæses til det fri..!! Lave omkostninger til service og vedligehold
Energiforbrug, sandhed og modifikationer (I) Benchmarking af chillere - Kølemiddel - Udeluft [ C] COP (Q o /P komp ) Årlige driftstimer (udeluft >15 C): 3.500 timer/år Køleydelse: 150 kw Vandtemperaturer: 7/12 C Årligt energiforbrug HFC: 117.00 kwh/år Årligt energiforbrug, ALK: 76.000 kwh/år Årlig besparelse: 41.000 kwh /år A A B B R22 R407C R407C R134a 35 35 35 35 2.75 2.85 3.25 2.85 Hertil skal indregnes: Afgiftsbesparelse på kølemiddel: 500 kr/kg x 30 kg = 15.000,- kr Lavere serviceomkostninger Eventuel besparelse på bygningsinstallation i forbindelse med anlægsopstilling 10,0 9,0 C R407C 35 3.37 8,0 D E compfort- ALK R410A R407C CO 2 30 35 25 30 35 25 30 3.29 2.85 3.73 3.21 2.71 4.30 4.00 COP 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 10 15 20 25 30 Udeluft [ C] Luftkølet chiller Vandkølet chiller Optimeret chiller R134a luftkølet chiller
Energiforbrug, sandhed og modifikationer (II) Anlæg med luftkølede kondensatorer Anlæg med tørkøler og vandkølet kondensatorer Coefficient Of Seasoal Performance Vand ind / ud: 12/7 C Coefficient Of Seasoal Performance Vand ind / ud: 12/7 C 8,0 8,0 7,0 7,0 6,0 6,0 COSP 5,0 4,0 3,0 Hele året T_ude>10 C COSP 5,0 4,0 3,0 Hele året T_ude>10 C 2,0 2,0 1,0 1,0 0,0 CO2 NH3 HC HFC 0,0 CO2 NH3 med tørkøler HC med tørkøler HFC-med tørkøler
7 kriterier og karakteristika for valg af chillerløsninger Pris 10 Grøn profil Fremtidssikring 8 6 4 2 0 Installation Service og vedligehold Sikkerhed COP CO2 NH3 HC HFC
compfort frikøling sparer 42% eller mere... Termosifon: Partiel frikøling enten 0% eller 100% frikøling udnyttes Integreret frikøling: Kontinuerlig udnytte af frikøling mellem 0% og 100% kuldeydelse Årsmax Temperatur Temperatur Temperatur Temperatur Temperatur Temperatur Udeluft: Tør termometer C Timer/år 32,1 C 1 >30 C 3 >25 C 49 >20 C 351 >15 C 1490 >10 C 3553 <10 C 5207
Frikøling med termosifon Fordele Vandinstallation upåvirket Ikke krav om frostsikring Rørføring i små dimensioner Lave installationsomkostninger Begrænsninger Krav til geometrisk højdeforskel ved opstilling % af kølebehov 100 80 60 40 20 0 Mekanisk Frikøling Særlig relevans for CO 2 Små rør Høj varmeovergang ved pool boiling Tung væske = god statisk højde 0 2 4 6 8 10 Udetemperatur [ C] A: Almindelig mekanisk køling: 12/7 C vand B: 100% Frikøling med termosifon: 12/7 C vand 100% kapacitet T>10 C 0% kapacitet T<10 C PC PC T=17 C T=12 C T=17 C T=12 C
Frikøling med integreret køleflade Fordele Uafhængig af installationsforhold God udnyttelse af frikølingspotentialet Begrænsninger Krav om frostsikring Omkostninger til ekstra frikøleareal Øget lydtryk % af kølebehov 100 80 60 40 20 0 Mekanisk Frikøling 0 2 4 6 8 10 Udetemperatur [ C] 25-100% kapacitet 25-100% kapacitet 0% kapacitet 0 C<T<10 C 0 C<T<10 C T<0 C PC PC PC
Besparelseseksempler med frikøling Frikølingsprincip: Termosifon Anlægstype compfort ALK 4107 Køleeffekt ved 16/10 C vand 150 kw Frikøling mulig ved udetemperaturen 5 C Antal timer pr år (opgjort iht DRY data) Tør temperatur < 5 C 3.331 timer/år Frikøleydelse leveret Baseret på tør temperatur 499.650 kwh COP for mekanisk køling 5 - Energibesparelse ved CO2 termosifon Baseret på tør temperatur 99.930 kwh/ el Værdi af frikøling Elpris inkl afgifter og transmission 0,8 kr/kwh Besparelse 79.944 kr/år Frikølingsprincip: Integreret Anlægstype compfort ALK 4107 Køleeffekt ved 16/10 C vand 150 kw Frikøling mulig ved udetemperaturen 10 C 100 % frikøling mulig ved 0 C Antal timer pr år (opgjort iht DRY data) Tør temperatur < 10 C 5.120 timer/år Frikøleydelse leveret Baseret på tør temperatur 463.350 kwh COP for mekanisk køling 5 - Energibesparelse ved integreret frikøling Baseret på tør temperatur 92.670 kwh/ el Værdi af frikøling Elpris inkl afgifter og transmission 0,8 kr/kwh Besparelse 74.136 kr/år
Produktprogram: compfort CO 2 chillere Produkt Model Antal Antal Nominel Nominel Nominel kompressorer moduler køleydelse køleydelse køleydelse kw kw kw compfort 3-88 3 1 102 121 55 compfort 3-107 3 1 124 148 66 compfort 1M-1107/2126 3 1 131 156 70 compfort 4-107 4 1 165 196 88 compfort 1M-1107/3126 4 1 187 223 99 compfort 6-107 6 2 247 295 132 compfort 2M-5126-1107 6 2 270 337 155 compfort 2M-1107/2126-4107 7 2 296 353 161 compfort 2M-6126-1107 7 2 333 393 181 compfort 2M-1107/3126 8 2 373 446 200
Gode grunde til at vælge compfort med CO2 Ugiftigt kølemiddel Ubrændbart kølemiddel Ingen drivhuseffekt, GWP=1 Ingen krav til zoneklassificering ved opstilling Kompakt modulopbygning kan samles på stedet Lavt støjniveau Opstilling under terræn uden problemer Nemt at installere kræver kun B certifikat Nemt at servicere = lave serviceomkostninger Fremtidens mest sikre løsning
Konklusion Sikre naturlige alternativer til HFC chillere er klar Markedet går 2 veje multiple små enkelt kredse, højt energiforbrug, totalt samme HFC mængde installeret (var det intentionen?) naturlige kølemidler højere investering, lavere driftsomkostning CO 2 er et sikkert og fremtidssikret kølemiddelvalg Energiforbruget er ikke højere end for andre luftkølede chillere CO 2 er velegnet til selvcirkulerende frikøling