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

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

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 (74.166 anslag inkl. mellemrum) Fotoserie fra R290 anlægget på Thyborøn Havn Lars Hørup Jensen Jesper Hoffmann Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 2

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

Indholdsfortegnelse Abstract... 3 1. Nomenklaturliste... 6 2. Forord... 7 2.1 Påskønnelser... 7 2.2 Læsevejledning... 8 2.2.1 Bilag... 8 2.2.2 Kildehenvisning... 8 2.2.3 Beregninger... 8 3. Problemformulering... 9 3.1 Projektbeskrivelse... 10 3.2 Problemstilling... 10 3.3 Hovedspørgsmål... 11 3.4 Afgrænsning... 11 4. Metode... 12 4.1 Skrivning... 12 4.2 Kølemidler... 12 4.3 Anlægsanalyse og optimering... 13 4.4 Energitilskud... 13 4.5 Liste over respondenter... 14 4.6 Vurdering af indhentet empiri... 15 4.7 Metode ved brug af beregningsprogrammer... 15 4.8 Metode til analyse... 15 4.9 Behandling af resultater... 16 5. Kølemidler... 16 5.1 Kølemidlernes udvikling... 16 5.2 Lovgivning for kølemidler... 16 5.3 ODP... 18 5.4 GWP-faktor... 20 5.5 TEWI-faktor... 21 5.6 Grundlæggende køleteknik... 22 5.7 1-trins køleproces... 22 5.8 Farlige egenskaber for propan (R290)... 25 5.9 Farlige egenskaber for kuldioxid (R744)... 26 5.10 Delkonklusion kølemidler... 27 6. Anlægsanalyse over R290 anlæg i Thyborøn... 28 6.1 Opbygning... 28 6.2 Varmeveksler... 29 6.3 Pump-down kompressor styring... 32 6.5 Virkemåde af varmgasafrimning... 33 6.6 Fordele ved varmgasafrimning... 34 6.7 Sikkerhed... 35 Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 4

6.7.1 Brandmyndigheder... 35 6.7.2 Gasdetektorer... 36 6.7.3 Pressostater og sikkerhedsventiler... 37 6.7.4 Yderligere tiltag... 38 7. LCC... 39 7.1 Anskaffelsespris på R290- og R744 anlægget... 39 7.2 Forskel på komponenter... 40 7.3 Vedligehold... 40 7.4 Energiudgifter for R290- og R744 anlægget... 42 7.4.1 1 stk. R744 anlæg... 43 7.4.2 2 stk. R290 anlæg... 43 7.4.2 El afrimning... 44 7.5 Energitilskud... 44 7.6 Resultater af LCC analyse... 46 7.7 TEWI-værdi... 47 7.8 Delkonklusion... 48 7.9 Kildekritik til afsnit 7... 49 8. Optimering... 50 8.1 Flydende kondensering... 50 8.2 Energi beregning på flydende kondensering kontra kondensering ved 32 C... 53 8.3 Kritik af programmet... 54 8.4 Opbygning af flydende kondensering... 54 8.5 Güntner GMM modul... 55 8.6 Optimering af anlægsopbygning... 56 9. Konklusion... 57 10. Perspektivering... 59 11. Litteraturliste... 60 11.1 Bøger... 60 11.2 PDF og filer... 60 11.3 Links... 61 11.4 Billeder... 62 11.5 Pc-programmer... 62 11.6 Firmaer... 63 Hoffmann & Hørup Jensen Aarhus Maskinmesterskole 2014 Side 5

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

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

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. 2.2.1 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 2.2.2 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. 2.2.3 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

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 3.1 - 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

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

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

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

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

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

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

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 5.4. 5.2 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

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

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

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 5.3 - 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

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 5.4 - Illustration af drivhuseffekten (fjernvarme.info). Figur 5.5 - 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

Figur 5.6 Udviklingen over udledningen af CO2 og ozonnedbrydende stoffer fra år 1950 og frem til år 2010. 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

5.6 Grundlæggende køleteknik I dette afsnit vil opbygningen af et log(p)-h diagram og en 1-trins kredsproces kort blive gennemgået. 5.7 1-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

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

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

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