Udvikling og test af energivenlig lavtemperaturfryser til laboratorieformål Frigor A/S Teknologisk Institut Kontakt-information: Per Henrik Pedersen Center for Køle- og Varmepumpeteknik Teknologisk Institut Gregersensvej 2630 Taastrup per.henrik.pedersen@teknologisk.dk
Resume: I dette delprojekt er udviklet og testet en lavtemperaturfryser til laboratorieformål. Den nye fryser er med naturlige kølemidler (en blanding af kulbrinter) og har et ét-trins køleanlæg, som kan køle ned til ca. 60 0 C. Frigor A/S fremstillede i forvejen en tilsvarende fryser med HFC-kølemidler (GLE30) med R404A, men den nye fryser (GLK30) er både mere energieffektiv og kan nå længere ned i temperatur end den gamle fryser, på trods af, at der er tale om samme kabinet-type. Nettovolumen er opmålt til 323 liter i begge kabinetter. Der er udført akkrediterede test af de to frysere ved en kabinet-temperatur på 43 0 C, ved klimaklasse 3 (+25 0 C, 60 % RH). Det er den kabinettemperatur, som den gamle fryser kan nå ned til ved 100 % driftstid. Den gamle fryser forbrugte 8,57 kwh/døgn, mens den nye fryser forbrugte 5,76 kwh/døgn. Det er en besparelse på 33 %. Den nye fryser er i produktion hos Frigor A/S i Viborg og markedsføres på: http://www.frigor.dk/lowtemperature/glk-master.asp Frigor GLK30 lavtemperaturfryser set med kompressorrummet åbent.
Baggrund Frigor laver lavtemperaturbokse til laboratorier. Laboratorieboksene er specialprodukter, som arbejder ved meget lave temperaturer (før dette projekt: ned til ca. 45 C). De lave temperaturer medfører dels et stort varmeindfald, og dels en lav effektivitet (COP) af kølesystemet. Disse forhold gør, at laboratorieboksene har et relativt højt energiforbrug. Kølemidlet i Frigors laboratoriebokse er i dag HFC R404A, som har en GWP 100 på 3260. Ved at skifte til naturlige kølemidler, vil bidraget til drivhuseffekten stort set kunne elimineres. Da de naturlige kølemidler samtidig er mere effektive, forventedes disse at give en reduktion i energiforbruget på ca. 10%. Aktiviterne er opdelt i 3 faser: a) Udvikling af beregningsmodel for laboratorieboks. Der tages udgangspunkt i allerede eksisterende modeller, som tilpasses specifikke forhold i Frigors produkter. Der gennemføres en analyse af muligheder for at fremstille en laboratorieboks, som er mere energieffektiv end tilsvarende bokse på markedet. b) En prototype testes efter EN 441 på Teknologisk Institut. Prototypen tunes eventuelt og testes igen indtil den opfylder forventningerne. c) Projektet afsluttes med en rapport og med markedsføring af det nye apparat. Ide Ideen til den nye køleproces er, at benytte en ikke-azeotropisk blanding af to kulbrinter, hvor det ene kølemiddel er et normalt kølemiddel til frysere (propan R290) og det andet er en lavtemperatur-kølemiddel, som enten kan være etan eller eten (R1150). Der er tidligere fremstillet masser af kaskade-køleanlæg med to separate trin, men ideen går ud på at blande de to kølemidler og benytte ét trin. Ved at sikre en god intern varmeveksling mellem kapillarrør og sugeledning kan man delvis udnytte de glidende fordampertemperatur i kølemiddelblandingen. Dette princip er set i andre sammenhæng tidligere. Der findes også andre køleanlæg med ét trin, som benytter HFC-kølemiddelblandiger, baseret på et japansk princip. Projektorganisation Dette projekt er en del af et langt større projekt, almindeligvis kendt som FEHA-projektet. Den officielle titel er Reduktion af varmetilførsel til kølemøbler, og er støttet af Energistyrelsen. Denne del af projektet er udført af Frigor A/S og Teknologisk Institut, idet Frigor har udført forsøg med forskellige blandinger af kølemidler, test af drøvleorgan og forskellige kompessorer, og Teknologisk Institut har bistået med teoretisk viden om blandinger og processer, akkrediterede test samt projektstyring og rapportskrivning. Projektdeltagere: Frigor A/S: Per Nygaard Hansen (indtil ultimo 2004) Niels From (fra 2005)
Teknologisk Institut: Ebbe Nørgaard Niels From (indtil 2005) Per Henrik Pedersen (projektleder) I udviklingsfasen har en del potentielle kunder haft prototyper til test og vurdering, det har især drejet sig om japanske og andre østasiatiske kunder. Projektgennemførelse Som nævnt havde projektpartnerne en kraftig formodning om, at det kunne lade sig gøre at udvikle ne konkurrencedygtig og energibesparende lavtemperaturfryser med en blanding af kulbrintekølemidler. Blandt kandidaterne var blanding af propan og etan. Der findes en kommerciel blanding af disse to kølemidler til erstatning af HFC og HCFC-kølemidler. Dette kølemiddel Care 50 er ikke specielt beregnet til lavtemperaturformål, idet propan udgør størstedelen af kølemidlet (mere end 90 %). Ved et uheld kom man i laboratoriet hos Frigor A/S til at påfylde dette kølemiddel fra dampfasen i trykflasken. I dampfasen er indholdet af etan meget større end i væskefasen, idet etan er flygtigt. Pludselig så man, at det var muligt at sænke temperaturen i fryseren med adskillige grader. LogPh-diagram for Care 50.
R-nummer Normal-kogepunkt Kritisk temperatur ( 0 C) ( 0 C) Propan R290-42,1 + 96,7 Etan R170-88,6 + 32,2 Eten R1150-103,8 + 9,2 Tabel: Oversigt over de tre kulbrinter, som er benyttet til test i forbindelse med udviklingsarbejdet Det gav blod på tanden til test af andre blandingsforhold mellem propan og etan, og igen så man en kraftig effekt. Imidlertid fremkom ide om at benytte eten i stedet for etan, idet normal-kogepunktet er endnu lavere jf. ovenstående tabel. Efter indledende test indså man, at blandingen mellem propan og eten var endnu bedre, og i slutningen af 2004 blev der gennemført en lang række test hos Frigor A/S med forskellige fyldninger og fyldningsforhold i størrelsesordenen en fjerdedel til en ottendedel eten i blandingen. Tendensen var, at jo større indhold af eten, jo koldere bliver det, og jo mere presser man kompressoren. Der er derfor grænser for, hvor stort indhold af eten, som man i praksis kan benytte. Det er vigtigt, at den interne varmeveksler mellem kapillarrør og sugeledning er stort i dette tilfælde, idet en del af kølemidlet vil fordampe i sugeledningen. Der er tale om den del af kølemiddelblandingen som med det største indhold af propan og dermed med det højeste kogepunkt. Derfor skal benyttes en intern varmeveksler, som er større (længere) end i en normal fryser. I de første forsøg benyttedes en intern varmeveksler, som er ca. dobbelt så lang som i en normal fryser. Senere i 2005 og 2006 blev der fremstillet en række prototyper med små variationer som blev evalueret af potentielle kunder. Der blev endvidere produceret flere containere med disse nye lavtemperaturfrysere til det japanske marked. Test af lavtemperaturfrysere I 2006 var udviklingsforløbet tilendebragt, og der blev afsendt to lavtemperaturfrysere til test på Teknologisk Institut i Aarhus. Der er tale om to identiske kabinetter med to forskellige kølesystemer, idet den ene fryser er den gamle fryser med R404A-kølemiddel og den nye fryser er med propan/eten-blandingen. De to kølemøbler blev testet efter EN441 i klimakammer med +25 0 C og 60 % relativ fugtighed (klimaklasse 3). Der er tale om akkrediterede test. Der er blev test af de to frysere ved en kabinet-temperatur på 43 0 C, ved klimaklasse 3 (+25 0 C, 60 % RH). Det er den kabinettemperatur, som den gamle fryser kan nå ned til ved 100 % driftstid. Den gamle fryser forbrugte 8,57 kwh/døgn, mens den nye fryser forbrugte 5,76 kwh/døgn. Det er en besparelse på 33 %. Testrapporter for de to test er vedlagt i bilag.
Fotos fra den nye fryser
Fotos af kompressorer i hhv. den nye og den gamle fryser.
Fotos af kompressoren og teknikrummet i den gamle fryser.
Fotos af teknik-rummet og bagsiden af de to frysere. De fremgår af disse fotos og fotos fra tidligere sider, at den gamle fryser har ekstra ekstern kondensator på bagsiden, mens den nye fryser har en overhedningsfjerner (første del af kondensatoren) samt en blæser placeret ved siden af kompressoren.
Fotos af de to labels fra bagsiderne af fryserne.
Implementering af resultatet af projektet De nye lavtemperaturfrysere er nu i produktion og markedsføres af Frigor A/S. PÅ Frigors hjemmeside kan man se produktet: http://www.frigor.dk/lowtemperature/glk-master.asp