Effektivare kylsystem för kyl- och frysskåp.

Transkript

1 Effektivare kylsystem för kyloch frysskåp. SAMMANFATTNING Sedan några år pågår ett forskningsprojekt inom Energimyndighetens utvecklingsprogram eff-sys med syfte att förbättra effektiviteten hos kylsystemet i kyloch frysskåp. Projektet utförs i samarbete mellan Electrolux AB och KTH. På företaget är fokus inställt på att skapa fungerande prototyper av nya koncept. På högskolan är fokus inställt på ökad förståelse av kylsystemet med speciell inriktning mot förångaren. Aktiviteterna på högskolan utförs av en doktorand samt av olika elevprojekt handledda av doktoranden. Målet är att finna dimensioneringskriterier för förångare som används i dessa produkter. Från tidigare års resultat kan nämnas visualisering av kylsystem och förångaren på ett kylskåp samt föreslagna beräkningssamband för tryckfall på förångarens köldmediesida [1],[2],[3]. Årets resultat är bl.a. en studie av köldmediets fördelning i ett kylskåpssystem under cykliska förhållanden [4] samt två examensarbeten inom projektet som behandlat transienta fenomen i kylsystemet [],[6]. I den här artikeln återges årets viktigaste händelser samt ett sammandrag av artikeln Historien om hur kyloch frysskåp blev energisnåla [7]. BAKGRUND Av hänsyn om miljön är det väsentligt att på alla sätt söka minska energiförbrukningen hos de produkter som produceras. Detta gäller inte minst sådana produkter som säljs i stort antal, t.ex. vitvaror. Även konsumenterna har insett detta och efterfrågan på energisnåla varor ökar därför ständigt. Låg energiförbrukning är därmed ett viktigt försäljningsargument.. Konsumenterna är samtidigt mycket prismedvetna varför ökad energieffektivitet inte kan tillåtas påverka kostnaden mer än marginellt. Dessutom får inte produktens övriga egenskaper såsom kapacitet och ljudnivå påverkas negativt. För att uppnå högre energieffektivitet under dessa förutsättningar krävs att varje detalj i konstruktionen granskas och utformas optimalt. ÅRETS RESULTAT I KRONOLOGISK ORDNING Kvartal 1 (21-24) Under perioden sysselsattes som mest åtta personer inom projektet. Arturo M. Carrera avslutade sitt examensarbete Influencing Parameters on the Refilling Time of Evaporators []. Slutsatser från detta arbete är att förångarens termiska massa bromsar återfyllnaden samt att ett nedförslut i strömningsriktningen ger snabbare återfyllnad. Figure 1 Hastigheten, efter kompressorstart, för fasgränsen vätska-gas (dryout point) för olika lutningarpå förångarkanalen. Diagrammet visar att ett svagt nedförslut ger ökad hastighet. Från Carrera [] Arrie Setiawan utför examensarbetet Determining the parameters influencing refrigerant ejection at start up of refrigerators. Här har mätningar utförts på en rigg kring en visualiserad del av en kylskåpsförångare. Detta arbete planeras vara avslutat under april. Fyra elever (AlexandreRucker, Elin Isgren, Aumnad Phdungslip och Shota Nozadze) utför ett av s.k. högrekursprojekt inom projektet. Mätningar utförs, med en nyutvecklad metod, på ett modifierat kylskåp för att bestämma köldmediets fördelning över kylsystemet under cykliska förhållanden. En konsult (Gunne Eriksson) bygger en rigg runt ett kylskåp för undersökning av köldmediefyllningen och strypningens inverkan på energiförbrukningen. (TCE Throttle-Charge-Energy). Publiceringsform är ej ännu bestämd. Projektledarens (Erik Björk) tid har under perioden mestadels gått åt för att planera, handleda och 1

2 assistera ovanstående aktiviteter. Arbete har inletts med en simuleringsmodell Hela utvecklingsavdelningen försvinner från Stockholm och en motsvarighet skapas i Susegana, Italien. Fram till början av nästa år (23) fortskrider viss verksamhet i Stockholm. Däribland utveckling av ett enkompressors venilstyrt kombinofrost skåp samt arbete med simulering av flänsförångarpaket.. Kvartal 2 (24-26) Arrie Setiawan slutförde examensarbetet Understanding cyclic losses in a plate evaporator of domestic refrigerators [6] (tidigare arbetsnamn Determining the parameters influencing refrigerant ejection at start up of refrigerators ). Experiment utfördes med glaskylskåpet samt en för arbetet specialbyggd förångarrigg med plexiglasfront. Resultat från detta arbete är bl.a. förklaringar till den oönskade köldmediepumpning som uppstår vid kompressorstart. Förslag ges till förbättrad förångardesign. Rapport på engelska finns. Flow direction Outlet Artikeln Charge distribution in a domestic refrigerator [4] presenterades på konferensen Zero-leakage, Stockholm augusti. Mass [g] ON Dryer + Capillary + Evaporator + Suction Line Condenser Compressor (part without oil) Refrigerant in the oil Total in the system Time [min] Figure 3 Köldmediets fördelning över kylsystemets komponenter under en hel cykel. Från Björk et al [4] Arbetet fortsätter med konstruktiona av en rigg för undersökning av köldmediemängd och strypningens inverkan på energiförbrukningen. (TCE Throttle- Charge-Energy). Provmätningar har gjorts. Vissa mindre justeringar återstår. OFF Optimering med avseende på energiförbrukning pågår av ett enkompressors venilstyrt kombinofrost skåp. Lovande resultat har erhållits från simulering av flänsförångarpaket. Arbetet fortsätter. Figure 2 Bilden visar en visualiserad del av förångaren efter kompressorstart. Köldmediet lämnar förångaren som vätska vilket ger en s.k. cyklisk förlust. Högrekursprojektet Charge distribution in a domestic refrigerator slutfördes under perioden. Mätningar utfördes, med en nyutvecklad metod, på ett kylskåp för att bestämma köldmediets fördelning över dess kylsystem under cykliska förhållanden. Metoden fungerade bra och gav intressanta resultat. Rapport på engelska finns, publicering i kvartal 3. En kyltekniskt fungerande prototyp av ett enkompressors venilstyrt kombi-nofrost skåp har byggts. Lovande resultat har erhållits från simulering av flänsförångarpaket. Kvartal 4 (21-212) Artikeln Historien om hur kyloch frysskåp blev energisnåla [7] publicerades i tidningen Kyla nr.. Artikeln förklarar vilka tekniska åtgärder som vidtagits av tillverkarna de senaste årtiondena för att sänka energiförbrukningen i kyloch frysskåp. Artikeln Air side heat transfer of a domestic refrigerator plate-type evaporator blev färdigställd och inskickad för granskning inför publicering i Valencia 23. Genomsnittliga värmeövergångskoefficienter på förångarens luftsida uppmättes till 8.8 W/m²K, 7.6 W/m²K och.1 W/m²K vid placering centrerat i kylskåpets mitt (ostört), i originalposition mot bakre väggen (viss störning från bakre vägg) samt i originalposition men med luftspalt bakom förångaren blockerad. Kvartal 3 (27-29) 2

3 heat flux (W/m²K) delta T (K) mid position wall position wall position, blocked duct theory, mid position theory, wall position Figure 4 Experimentella och teoretiska resultat av värmeöverföringen på en kylskåpsförångares luftsida Energiförbrukningen hos hushållskylprodukter har under åren minskat och det är troligt att denna trend fortsätter. Drivkrafterna har delvis varit en ökande medvetenhet om energibesparing och delvis, under senare år, energilagstiftningen. Från 1997 krävs att hushållskylprodukter inom EU energiklassas infördes en maximalt tillåten energiförbrukning som innebar att de mest energikrävande produkterna förbjöds. Idag förs diskussioner om ytterligare skärpningar. Från tillverkarnas sida har energiminskningen genom åren åstadkommits med en rad olika åtgärder. I den här artikeln redogörs för de viktigaste under de senaste årtiondena. Informationen kommer bl.a. från muntliga källor inom Electrolux, men åtgärderna kan förmodligen anses som typiska för utvecklingen inom hela branschen. Tvådimensionell simulering (vertikalt mittplan) av temperatur och hastighetsfält i ett kylskåp med egenkonvektionsförångare Publiceringsform ej bestämd Elenergianvändning kyloch frysskåp (kwh/år) 4 3 Genomsnittlig specifik förbrukning för sålda kylskåp Genomsnittlig specifik förbrukning för sålda frysar 2 1 Specifik förbrukning för energieffektivaste kylskåpet på marknaden Specifik förbrukning för energieffektivaste frysen på marknaden Figure 6 Energiförbrukning kyloch frysskåp , Energimyndighetens bearbetning Figure Temperaturfältet i ett kylskåp (utan hyllplan),1 och 1 sekunder efter kompressorstart. Simulering i FEMLAB. Preliminära resultat från en rigg för undersökning av köldmediemängd och strypningens inverkan på energiförbrukningen. (TCE Throttle-Charge- Energy). Optimering med avseende på energiförbrukning pågår av ett enkompressors venilstyrt kombinofrost skåp. Arbetet fortsätter. Lovande resultat har erhållits från simulering av flänsförångarpaket.. Arbetet fortsätter. Historien om hur kyloch frysskåp blev energisnåla [7]. Energiförbrukningen hos kyloch frysskåp kan i princip sänkas på två sätt; minskad termisk last och/eller effektivare kylsystem. Den termiska lasten anger hur mycket värmeenergi som måste pumpas ut ur skåpet. Kylsystemets effektivitet anger till vilket pris denna värmeenergi pumpas ut. Minskad termisk last Den termiska lasten kommer till största delen från skåpets värmeinläckning men också till en mindre del från dörröppningar och nedkylning av varor. Under sextiotalet förbättrades skåpens isolering då polyuretanskum ersatte mineralull. Isolerförmågan har under åren gradvis förbättrats genom optimering av skummets cellstorlek. Under nittiotalet blev det nödvändigt att ersätta det traditionella blåsmedlet R11 mot ett freonfritt alternativ. Denna omställning innebar en viss försämring av isolerförmågan. Idag används Cyklopentan som blåsmedel och värmeledningstalet har, efter optimering av cellstorleken, kommit ned 3

4 till ungefär 2 mw/(m K). Detta kan jämföras med R11:s ca 17 mw/(m K). Isolertjockleken har med åren ökat på både kylar och frysar med en direkt energiminskning till följd. Standardtjockleken har för en kyl ökat från sjuttiotalets typiska 2 mm till dagens ca 4 mm. För en frys har under samma tidsperiod isolertjockleken gått från 4 mm till 6 mm. Under nittiotalet ökades isolertjockleken på vissa modeller, s.k. lågenergikylar och lågenergifrysar, till 6 mm respektive 8-9 mm. Då skåpens utvändiga mått är standardiserade innebar dessa förändringar en minskad förvaringsvolym. Nästa tekniksprång, för att minska den termiska lasten, kan vara skåpisolering med s.k. vakuumpaneler. Dessa har idag ett värmeledningstal på ca mw/(m K) men ger i praktiken, inskummade som en del av skåpväggens isolering, ett effektivt värde på 8-9 mw/(m K) bland annat p.g.a. kanteffekter. Det höga priset har hittills förhindrat ett bredare genombrott för denna teknik. Effektivare kylsystem Ett stort steg för effektiviseringen av kylsystemet skedde med teknikskiftet från absorption till kompressorteknik. Detta inträffade under -talet. Idag är kompressortekniken dominerande och innehar en ohotad ställning gentemot andra köldalstringsprinciper. Med bytet av köldmedium, från R12 till R6a, under början av nittiotalet (används idag parallellt med R134a) minskade kompressorns kapacitet för en given slagvolym. Denna förändring var paradoxalt nog välkommen då skåpens gradvist förbättrade isolering givit ett minskat kapacitetsbehov. Med en större kompressor (högre verkningsgrad) och det nya köldmediet sänktes energiförbrukningen. Under nittiotalet optimerades cykellängden för frysar vilket gav en energibesparing på -1%. Generellt minskar energiförbrukningen med kortare cykellängd då temperaturlyftet under kompressorns gångtid minskar. En alltför kort cykellängd straffas dock av de s.k. cykliska förlusterna som uppstår vid stopp och start. För ett kylskåp med självavfrostning i varje cykel kan inte en sådan optimering göras. Ett annat sätt att minska temperaturlyftet, och därmed energiförbrukningen, är att förbättra kylsystemets värmeväxlare. Huvuddelen av värmemotståndet ligger på värmeväxlarnas luftsida och av den anledningen har storleken på kondensorn och förångaren ökat med åren. I kylskåp där förångaren, av estetiska skäl, vanligtvis utgör en del av skåpets bakre vägg har storleken ökat främst under de sista tio åren. Här spelar återigen kostnaden en roll. En större värmeväxlare kostar mer pengar. + Större värmeväxlare - Mjölk elmotor Mer koppar i lindningar, mer plåt i statorn, driftskondensator Semidirekt insprutning Bättre och tjockare isolering Ljuddämpare i plast Figure 7 Några av de åtgärder som gjort kyloch frysskåpen energisnåla. Från Björk [7] Kompressorn, som komponent, har genom åren ständigt förbättrats. Strömningskanalerna har optimerats och bättre tillverkningsteknik har möjliggjort finare toleranser. Under åttiotalet infördes den s.k. driftskondensatorn vilken gav en energiminskning på 2-6%. Driftkondensatorn förbättrar elmotorns verkningsgrad genom att aktivera startlindningen under drift. Denna lindning är nödvändig vid uppstarten av den asynkrona enfasmotorn som idag används men är i annat fall normalt inaktiv. Ytterligare förbättringar av elmotorns verkningsgrad har sedan mitten av åttiotalet uppnåtts genom mer plåt i statorn och mer koppartråd i lindningarna. I slutet av åttiotalet minskades suggasens överhettning genom s.k. semidirekt insprutning i kompressorn. Detta innebär att huvuddelen av suggasen tar raka vägen in i cylindern istället för att kyla kompressorns elektriska lindningar. Ytterligare minskad överhettning uppnåddes då ljuddämparen på cylinderns sugsida utfördes i plast. En minskad suggasöverhettning ökar systemets köldfaktor genom minskat kompressorarbete (per massenhet) och sänkt kondenseringstemperatur. På senare år har varvtalsstyrda kompressorer introducerats. Idealt arbetar en sådan kompressor kontinuerligt, till skillnad från dagens on-off reglerade, med en kapacitet motsvarande värmeinläckningen. Detta ger inte bara ett tystare kylsystem utan också ett förmånligare temperaturlyft och därmed lägre energiförbrukning. Dagens varvtalsstyrda kompressorer utförs vanligtvis med en permanentmagnetiserad rotor, vilket är en teknik som i sig ger motorn högre elektrisk verkningsgrad än den traditionella asynkrona enfasmotorn. Den kan varvas ned till 4

5 ungefär halva varvtalet (16 rpm) och måste därför köras on-off cyklande. Trots detta är en energisänkning på ca 3 procent fullt möjlig. En bredare lansering bromsas idag av det höga priset. Trender i branschen Under de senaste femton åren har en trend hos familjer - bort från dagliga inköp av mat i närbutiker till veckohandel på köpcentrum - medfört ett behov av större kylda förvaringsvolymer. Samtidigt har en annan trend varit att antalet små hushåll ökat. Detta har medfört ett behov av små men fler enheter. Ytterligare en trend, under senare år, är en ökad försäljning av kylskåp och kylfrysar med forcerad konvektion. För kylarna ger detta en jämnare temperatur och därmed en bättre matförvaring. Rätt dimensionerad kan en fläkt i ett kylskåp dessutom sänka energiförbrukningen. För kylfrysar med forcerad konvektion delar kylen och frysen på en gemensam flänsförångare. Fördelen med dessa skåp är automatisk avfrostning av frysen. Sammanfattning Energiförbrukningen hos kyloch frysskåp har minskat under åren till följd av ett antal olika åtgärder. Den termiska lasten har minskat genom bättre och tjockare isolering. Kylsystemet har effektiviserats främst genom förbättringar av kompressorn. Som kan anas av denna artikel är kostnaden en viktig parameter i denna bransch. Hur mycket är konsumenten beredd att betala för en energisänkning? Idag är kylskåp och frysar s.k. mogna produkter vilket innebär att konkurrensen är hård och vinstmarginalen liten. En ökad kostnad i något avseende slår direkt mot denna marginal. Det vore en ingenjörs dröm att skapa ett kylskåp med överlägsna prestanda, med en minimal värmeinläckning och en köldfaktor som närmar sig den Carnotska. En sådan produkt skulle dock inte överleva på marknaden. Ingenjörens utmaning är idag istället att åstadkomma mesta möjliga energisänkning till minsta möjliga kostnad. REFERENSER [1] Klimat 21s samlade slutrapporter, CD- ROM-skivan kan beställas hos programsekreteraren för Eff-Sys, Carina Carlsson, KTH, Inst. för Energiteknik, Brinellv. 6, 1 44 Stockholm, Tel , fax [2] Björk, E. 22, Effektivare kylsystem för kyloch frysskåp proc. Eff-Sys dagen 22, KTH, Stockholm [3] Björk, E. 22, Pressure drop in a plate evaporator for refrigerators HEFAT-22 1 st International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics. 8-1 April 22, Kruger Park, South Africa [4] BJÖRK, E., RÜCKER, A., PHDUNGSILP, A., ISGREN, E., NOZADZE, S. Charge distribution in a domestic refrigerator, proc.zero leakage minimum charge, Efficient systems for refrigeration, Air conditioning and Heat pumps, Joint meeting of the International Institute of Refrigeration, Section B and E, Stockholm, Sweden, August 26-28, 22 [] Carrera, A.M., Influencing parameters on the refilling time of evaporators. Master of science thesis, Department of energy technology, Royal institute of technology, Stockholm, Sweden 22 [6] Setiawan, A.T., Understanding cyclic losses in a plate evaporator of domestic refrigerators, Master of science thesis, Department of energy technology, Royal institute of technology, Stockholm, Sweden 22 [7] Björk, E. Historien om hur kyloch frysskåp blev energisnåla. Kyla, vol., pp. 28-3, 22. FORTSATT ARBETE För året planeras ett flertal publiceringar. Mätmetoden som under 22 användes för att finna köldmediets fördelning över systemet har förbättrats och en ny mätserie planeras. Dessa resultat är planerade för publicering i internationell journalartikel. Resultaten från den s.k. TCE riggen (se kvartal 1 22) planeras publiceras på internationell konferens (Washington 23). En volymmätning av tryckfall och värmeöverföring på kyl och frysförångare planeras. Publiceringsform ej bestämd.