Nyudviklet chiller med CO2

Kim G Christensen og Torben M HansenÅrhus V

02.09.2007

Agenda

Præsentation af AdvansorBaggrund for udvikling af CO2 chillereTeknisk udvikling til færdigt produktKarakteristika for CO2 chillere’s drift, særligt under danske forholdPraktiske forhold for opstilling, servicering og vedligeholdEnergiforbrug og frikølingCO2 chillere: ProduktprogramKonklusion

Om ADVANSOR

ADVANSOR er en teknologi- og produktionsvirksomhed påenergiområdet indenfor køleanlæg og varmepumper

Vi bruger CO2 teknologi til CO2 reduktion

ADVANSOR udvikler, producerer og udfører projekter indenforBygningerProcesindustriFødevarefremstillingEnergi-sektor (kraft-varme)Supermarkeder

Vi samarbejder med leverandører, kunder, partnere, brancheorganisatoner, GTS’er, universiteter, myndighederfor fremme af bæredygtige energisystemer

ADVANSORS produkter

compHEAT: Varme- og Kraftvarme-produktion

Produkter skræddersyede til varme- og kraftvarmeanlæg.Direkte tilkobling til gasmotoren uden forstyrrende indgreb påvandsiden. Varmen leveres direkte til fjernvarmenettet mellem 80-90oC.

compBINE: Kombineret og kuldeproduktion

Integreret anlæg til samtidig produktion af varme og kulde.Producerer varmt ved 80-100oC 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 aggregaterAndre naturlige kølemidler

giftige eller brændbaretørkøleropstillinger med forhøjet energiforbrug

CO2 påtænkt at lukke hullet optil større ammoniakanlæg

området mellem 80-400 kW

CO2-chillerens design

TP

Oversvømmet fordamper

Sugegasventuri

Kompressor

Ekspansionsventil

Olieudskiller

Kondensator/ gaskøler

Chillerens design

Kompressor

Semihermetisk kompressor (Dorin)Mere end 10 års erfaring

Bredt arbejdsområdePAG Breox 65 (opløselig med CO2)

Oliepumpe og olieniveau Ekstern oliekøling

Meget pålidelig drift (ingen prob.)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 realPoly. (eta_i real)Poly. (eta_v [-])

Range of chiller

operat ion

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 receiverGod 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]

s [J/kg K]

Pinch-punkt

dT for kondensator

s [J/kg K]

Temperatur-”approach”

Pinch-punkt

dT_approach = 2-3 KdT_pinch = 4-8 K

dT = 10 KdT_pinch = 1-2 K

Gaskølerdesign – en væsentlig del af udformningen

Matche kapacitets-strømmeGenerelt lavere luftmængderLavere støj-niveau

Høj varmeovergang ved høj dT

Ingen behov for “cuttede” finner

dT_gk_ud = 2K kan nås uden prob.dT_kond = 6K

0 4 8 12 16 2010

20

30

40

50

60

70

80

Step (Counter flow)

Tem

pera

ture

[°C

]

Refrigerant

AirAir

0 4 8 12 16 20600

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

12-07-0714:31:12

12-07-0714:38:24

12-07-0714:45:36

12-07-0714:52:48

12-07-0715:00:00

12-07-0715:07:12

12-07-0715:14:24

TID

COP

25

26

27

28

29

30

31

32

09-08-200714:52

09-08-200715:00

09-08-200715:07

09-08-200715:14

09-08-200715:21

09-08-200715:28

09-08-200715:36

T_luftT_C_kølT_liq_kondP_C_kølP_C_køl_ref

Effektive kondensatorer: Dårlig sommer – ingen transkritisk drift

Øvrige komponenter

Vand i CO2-anlæg – anvendelse af tørrefilterDer skal ikke løbes nogen risiko vedr. syre-dannelserMolecular sieve anvendes i alle Advansor’s anlæg

SugemanifoldIntegreret oliekøling, væskeudskiller og olieretur

Valg af ventiler (høje tryk og også store differenstryk)ReguleringsventilerMagnetventiler (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 altEgenudviklet styring (Beckhoff)Kompressor-pack

P_0: PI-reg med indlagte ”dødtider”KøretidsudligningSikkerhed (HT/LT), vand-flow, olie, termistorOliehåndtering

Kondensator/ gaskølerBlæserstyringBefugter-styringHT-styring

ØvrigeKommunikation til bruger/ overvågn.Service-modeFlex. opbygning - I/O for andre komp.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): 27CHældning_trans: 2 bar/KUnderkøling_sub: 2,5 KHysterese_sub/trans: 2 K

T_trans_min (73 bar): 26,5CHældning_trans: 2 bar/KUnderkøling_sub: 2 KHysterese_sub/trans: 2 K

Optimal COP

Kurve 2

Kurve 1

Metode for udvikling: ”Modularisering”

Kompressor-modulDet samme hver gangSamme suge- og trykmanifoldSamme oliekølingSamme oliehåndteringSamme PLC-styringProduktion til lager samt stor volumen

Valg af komponenter er kan anvendes i ALLE produkterVentiler, 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/ principUdvikling af anlægget – valg af komponenterOpbygning af prototypePrototype til test – en lang, men vigtig proces

Oliehåndtering, kompressorer, varmevekslere, ventiler, styring0-serie – produktions-optimering

DokumentationFremstillingskontrol og CE-mærkningMarkedsføring og salg

Men nu er vi her …

300 kW / 8-127

Men nu er vi her …

Praktiske forhold ved CO2 chillere

Nem opstillingfærdigt udendørs aggregat indendørs køleaggregat / udendørs kondensator aggregatlempelige krav til opstilling indendørs

Sikkerhedhøj personsikkerhedhøj installationssikkerhed

Service og vedligeholdSemihermetiske kompressorerKølemiddel kan afblæses til det fri..!!Lave omkostninger til service og vedligehold

Energiforbrug, sandhed og modifikationer (I)

4.304.00

2530CO2

compFORT-ALK

3.733.212.71

253035

R407CE

3.292.85

3035R410AD

3.3735R407CC

2.8535R134aB

3.2535R407CB

2.8535R407CA

2.7535R22A

(Qo/Pkomp)[°C]--

COPUdeluftKøle-middel

Årlige driftstimer (udeluft >15°C): 3.500 timer/årKøleydelse: 150 kWVandtemperaturer: 7/12°C

Årligt energiforbrug—HFC: 117.00 kWh/årÅrligt energiforbrug, ALK: 76.000 kWh/årÅrlig besparelse: 41.000 kWh /år

Hertil skal indregnes:Afgiftsbesparelse på kølemiddel: 500 kr/kg x 30 kg = 15.000,- krLavere serviceomkostningerEventuel 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

Udeluft [°C]

CO

P

Luf tkølet chiller Vandkølet chiller Optimeret chiller R134a luf tkølet chiller

Benchmarking af chillere

Energiforbrug, sandhed og modifikationer (II)

Coefficient Of Seasoal PerformanceVand 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

CO

SP Hele året

T_ude>10°C

Coefficient Of Seasoal PerformanceVand 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

CO

SP 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

10Pris

Installation

Service og vedligehold

COPSikkerhed

Frem tidssikring

Grøn profil

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

5207 <10°C Temperatur

3553 >10°C Temperatur

1490 >15°C Temperatur

351 >20°C Temperatur

49 >25°C Temperatur

3 >30°C Temperatur

132,1°CÅrsmax

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

FordeleVandinstallation upåvirketIkke krav om frostsikringRørføring i små dimensionerLave installationsomkostninger

BegrænsningerKrav til geometrisk højdeforskel ved opstilling

Særlig relevans for CO2Små rørHøj varmeovergang ved pool boilingTung væske = god statisk højde

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10

Udetemperatur [°C]

% a

f køl

ebeh

ov

MekaniskFrikøling

Frikøling med integreret køleflade

FordeleUafhængig af installationsforholdGod udnyttelse af frikølingspotentialet

BegrænsningerKrav om frostsikringOmkostninger til ekstra frikølearealØget lydtryk

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10

Udetemperatur [°C]

% a

f køl

ebeh

ov

MekaniskFrikøling

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 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 CO2 chillere

Produkt Model Antal Antal Nominel Nominel Nominelkompressorer moduler køleydelse køleydelse køleydelse

kW kW kWcompFORT 3-88 3 1 102 121 55compFORT 3-107 3 1 124 148 66compFORT 1M-1107/2126 3 1 131 156 70compFORT 4-107 4 1 165 196 88compFORT 1M-1107/3126 4 1 187 223 99compFORT 6-107 6 2 247 295 132compFORT 2M-5126-1107 6 2 270 337 155compFORT 2M-1107/2126 - 4107 7 2 296 353 161compFORT 2M-6126-1107 7 2 333 393 181compFORT 2M-1107/3126 8 2 373 446 200

Gode grunde til at vælge compFORT med CO2

Ugiftigt kølemiddelUbrændbart kølemiddelIngen drivhuseffekt, GWP=1Ingen krav til zoneklassificering ved opstillingKompakt modulopbygning kan samles på stedetLavt støjniveauOpstilling under terræn uden problemerNemt at installere – kræver kun B certifikatNemt at servicere = lave serviceomkostningerFremtidens mest sikre løsning

Konklusion

Sikre naturlige alternativer til HFC chillere er klarMarkedet går 2 veje

multiple små enkelt kredse, højt energiforbrug, totalt samme HFC mængde installeret (var det intentionen?)naturlige kølemidler – højere investering, lavere driftsomkostning

CO2 er et sikkert og fremtidssikret kølemiddelvalgEnergiforbruget er ikke højere end for andre luftkølede chillere CO2 er velegnet til selvcirkulerende frikøling