Baggrund for udvikling af luftkølede CO2 chillere

Nyudviklet chiller med CO

Kim G Christensen og Torben M Hansen Århus V 02.09.2007

Agenda

ƒ Præsentation af Advansor

ƒ Baggrund for udvikling af CO₂ chillere

ƒ Teknisk udvikling til færdigt produkt

ƒ Karakteristika for CO₂ chillere’s drift, særligt under danske forhold

ƒ Praktiske forhold for opstilling, servicering og vedligehold

ƒ Energiforbrug og frikøling

ƒ CO₂ chillere: Produktprogram

ƒ Konklusion

Om ADVANSOR

ƒ ADVANSOR er en teknologi- og produktionsvirksomhed på energiområdet indenfor køleanlæg og varmepumper

ƒ Vi bruger CO₂ teknologi til CO₂ reduktion

ƒ ADVANSOR udvikler, producerer og udfører projekter indenfor

ƒ Bygninger

ƒ Procesindustri

ƒ Fødevarefremstilling

ƒ Energi-sektor (kraft-varme)

ƒ Supermarkeder

ƒ 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^oC.

compBINE: Kombineret og kuldeproduktion Integreret anlæg til samtidig produktion af varme og kulde.

Producerer varmt ved 80-100^oC 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

ƒ HFC - lovgivning:

Max 10 kg HFC pr kreds – i praksis begrænsning på 60-80 kW for luftkølede aggregater

ƒ Andre naturlige kølemidler

ƒ giftige eller brændbare

ƒ tørkøleropstillinger med forhøjet energiforbrug

ƒ CO₂ påtænkt at lukke hullet optil større ammoniakanlæg

ƒ området mellem 80-400 kW

CO2-chillerens design

T P

Oversvømmet fordamper

Sugegasventuri

Kompressor

Ekspansionsventil

Olieudskiller

Kondensator/ gaskøler

Chillerens design

Kompressor

ƒ Semihermetisk kompressor (Dorin)

ƒ Mere end 10 års erfaring

ƒ Bredt arbejdsområde

ƒ PAG Breox 65 (opløselig med CO2)

ƒ Oliepumpe og olieniveau

ƒ Ekstern oliekøling

ƒ Meget pålidelig drift (ingen prob.)

ƒ Høje virkningsgrader ved lave

trykforhold ^0,40

0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90

2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00

eta_v [-]

eta_i real Poly. (eta_i real) Poly. (eta_v [-])

Range of chiller operat ion

Oliehåndtering

ƒ Svær pga. af høje olieafkast fra

kompressorer og lille densitetsforskel mellem gas og væske (både PAG og POE)

ƒ Olieseparatorer med filter (coalescer)

ƒ Niveau-switche i kompressorer og oliereservoir (elektronisk styret)

ƒ Sugegas-venturi sikrer olieretur fra fordamper

Fordamper

ƒ Oversvømmet ”shell and tube”

ƒ Meget høje varmeovergangstal ved pool boiling (høje reducerede tryk)

ƒ Fungerer samtidig som receiver

ƒ God væskeudskilning – ingen væskeslag

ƒ Rolig og stabil drift (DX er mere ”følsom”)

ƒ 12/7°C med 4°C fordampning – kan optimeres yderligere – vandsiden er vigtig

Kondensator/ gaskøler

T [C]

s [J/kg K]

Pinch-punkt dT for

kondensator

s [J/kg K]

Temperatur-

”approach”

Pinch-punkt

dT_approach = 2-3 K dT_pinch = 4-8 K dT = 10 K

dT_pinch = 1-2 K

Gaskølerdesign – en væsentlig del af udformningen

ƒ Matche kapacitets-strømme

ƒ Generelt lavere luftmængder

ƒ Lavere støj-niveau

ƒ Høj varmeovergang ved høj dT

ƒ Ingen behov for “cuttede” finner

ƒ dT_gk_ud = 2K kan nås uden prob.

ƒ dT_kond = 6K

0 4 8 12 16 20

10 20 30 40 50 60 70 80

Step (Counter flow)

Temperature [°C]

Refrigerant Air Air

0 4 8 12 16 20

600 650 700 750 800 850

Step[i]

U[i]

U[i]

Adiabatisk befugtning

T _amb = 22°C

3,15 3,2 3,25 3,3 3,35 3,4 3,45 3,5 3,55

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

COP

25 26 27 28 29 30 31 32

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_luft T_C_køl T_liq_kond P_C_køl P_C_køl_ref

Effektive kondensatorer: Dårlig sommer – ingen transkritisk drift

Øvrige komponenter

ƒ Vand i CO2-anlæg – anvendelse af tørrefilter

ƒ Der skal ikke løbes nogen risiko vedr. syre-dannelser

ƒ Molecular sieve anvendes i alle Advansor’s anlæg

ƒ Sugemanifold

ƒ Integreret oliekøling, væskeudskiller og olieretur

ƒ Valg af ventiler (høje tryk og også store differenstryk)

ƒ Reguleringsventiler

ƒ Magnetventiler (servo og direkte)

ƒ Afspærring

ƒ Rørsystemer og fleksible slanger (tæthed, styrke)

ƒ Rør i P235GH – TIG-svejst/ Olie: hydraulikrør

ƒ Service-venligt design

Styring – det hele i én – med styr på alt

ƒ Egenudviklet styring (Beckhoff)

ƒ Kompressor-pack

ƒ P_0: PI-reg med indlagte ”dødtider”

ƒ Køretidsudligning

ƒ Sikkerhed (HT/LT), vand-flow, olie, termistor

ƒ Oliehåndtering

ƒ Kondensator/ gaskøler

ƒ Blæserstyring

ƒ Befugter-styring

ƒ HT-styring

ƒ Øvrige

ƒ Kommunikation til bruger/ overvågn.

ƒ Service-mode

ƒ Flex. opbygning - I/O for andre komp.

ƒ Redondans – P_0/ T_vand

50 55 60 65 70 75 80 85 90

20 25 30 35

T_gk_ud [°C]

P_gk_ud [bar]

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

Optimal COP Kurve 2

Kurve 1

Metode for udvikling: ”Modularisering”

Kompressor-modul

ƒ Det samme hver gang

ƒ Samme suge- og trykmanifold

ƒ Samme oliekøling

ƒ Samme oliehåndtering

ƒ Samme PLC-styring

ƒ Produktion til lager samt stor volumen

ƒ Valg af komponenter er kan anvendes i ALLE produkter

ƒ Ventiler, beholdere, el-tavle, sugemanifold, pressostater, transmittere, sensorer,

manometre, filtre, skueglas, fittings, rør osv.

Udvikling af nye køleanlæg – hvorfor tager det så lang tid?

ƒ Valg af design/ princip

ƒ Udvikling af anlægget – valg af komponenter

ƒ Opbygning af prototype

ƒ Prototype til test – en lang, men vigtig proces

ƒ Oliehåndtering, kompressorer, varmevekslere, ventiler, styring

ƒ 0-serie – produktions-optimering

ƒ Dokumentation

ƒ Fremstillingskontrol og CE-mærkning

ƒ Markedsføring og salg

Men nu er vi her …

300 kW / 8-127

Men nu er vi her …

Praktiske forhold ved CO

chillere

ƒ Nem opstilling

ƒ færdigt udendørs aggregat

ƒ indendørs køleaggregat / udendørs kondensator aggregat

ƒ lempelige krav til opstilling indendørs

ƒ Sikkerhed

ƒ høj personsikkerhed

ƒ høj installationssikkerhed

ƒ Service og vedligehold

ƒ Semihermetiske kompressorer

ƒ Kølemiddel kan afblæses til det fri..!!

ƒ Lave omkostninger til service og vedligehold

Energiforbrug, sandhed og modifikationer (I)

4.30 4.00 25

CO₂ 30 compFORT-

ALK

3.73 3.21 2.71 25

30 35 R407C

E

3.29 2.85 30

R410A 35 D

3.37 35

R407C C

2.85 35

R134a B

3.25 35

R407C B

2.85 35

R407C A

2.75 35

R22 A

(Q_o/P_komp) [°C]

- -

COP Udeluft

Køle- middel

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 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

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0

10 15 20 25 30

Ude luft [°C]

COP

Luf tkølet c hiller V andkølet c hiller Optimeret c hiller R134a luf tkølet c hiller

Benchmarking af chillere

Energiforbrug, sandhed og modifikationer (II)

Coe fficie nt Of Se asoal Pe rformance Vand ind / ud: 12/7°C

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0

CO2 NH3 HC HFC

COSP Hele året

T_ude>10°C

Coe fficie nt Of Se asoal Pe rformance Vand ind / ud: 12/7°C

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0

CO2 NH3 med tørkøler HC med tørkøler HFC-med tørkøler

COSP Hele året

T_ude>10°C

Anlæg med luftkølede kondensatorer Anlæg med tørkøler og vandkølet kondensatorer

7 kriterier og karakteristika for valg af chillerløsninger

0 2 4 6 8 10

Pris

Ins tallation

Se rvice og ve dlige hold

COP Sik k e rhe d

Fre m tids s ik ring Grøn profil

CO2 NH3 HC HFC

compFORT frikøling sparer 42% eller mere...

ƒ Termosifon:

Partiel frikøling enten 0% eller 100% frikøling udnyttes

ƒ Integreret frikøling:

Kontinuerlig udnytte af

frikøling mellem 0% og 100%

kuldeydelse

5207

<10°C Temperatur

3553

>10°C Temperatur

1490

>15°C Temperatur

351

>20°C Temperatur

49

>25°C Temperatur

3

>30°C Temperatur

1 32,1°C

Årsmax

Timer/år

°C

Udeluft: Tør termometer

Frikøling med termosifon

PC

T>10°C

T=17°C T=12°C 100%

kapacitet

PC

T<10°C

T=17°C T=12°C 0%

kapacitet

A: Almindelig mekanisk køling: 12/7°C vand B: 100% Frikøling med termosifon: 12/7°C vand

Fordele

ƒ Vandinstallation upåvirket

ƒ Ikke krav om frostsikring

ƒ Rørføring i små dimensioner

ƒ Lave installationsomkostninger

Begrænsninger

ƒ Krav til geometrisk højdeforskel ved opstilling

Særlig relevans for CO₂

ƒ Små rør

ƒ Høj varmeovergang ved pool boiling

ƒ Tung væske = god statisk højde

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Udetemperatur [°C]

% af kølebehov

Mekanisk Frikøling

Frikøling med integreret køleflade

Fordele

ƒ Uafhængig af installationsforhold

ƒ God udnyttelse af frikølingspotentialet

Begrænsninger

ƒ Krav om frostsikring

ƒ Omkostninger til ekstra frikøleareal

ƒ Øget lydtryk

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Udetemperatur [°C]

% af kølebehov

Mekanisk Frikøling

PC

0°C<T<10°C 25-100%

kapacitet

PC

0°C<T<10°C 25-100%

kapacitet

PC

T<0°C 0%

kapacitet

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 temperat ur < 5°C 3.331 timer/år

Frikøleydelse leveret

Baseret på tør temperatur 499.650 kWh

COP for mek anisk 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 temperat ur < 10°C 5.120 timer/år

Frikøleydelse leveret

Baseret på tør temperatur 463.350 kWh

COP for mek anisk 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

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

ƒ Ugiftigt kølemiddel

ƒ Ubrændbart kølemiddel

ƒ Ingen drivhuseffekt, GWP=1

ƒ Ingen krav til zoneklassificering ved opstilling

ƒ Kompakt modulopbygning kan samles på stedet

ƒ Lavt støjniveau

ƒ Opstilling under terræn uden problemer

ƒ Nemt at installere – kræver kun B certifikat

ƒ Nemt at servicere = lave serviceomkostninger

ƒ Fremtidens mest sikre løsning

Konklusion

ƒ Sikre naturlige alternativer til HFC chillere er klar

ƒ Markedet går 2 veje

ƒ multiple små enkelt kredse, højt energiforbrug, totalt samme HFC mængde installeret (var det intentionen?)

ƒ naturlige kølemidler – højere investering, lavere driftsomkostning

ƒ CO₂ er et sikkert og fremtidssikret kølemiddelvalg

ƒ Energiforbruget er ikke højere end for andre luftkølede chillere

ƒ CO₂ er velegnet til selvcirkulerende frikøling