MAKING MODERN LIVING POSSIBLE Butikskyla med CO2 Design av subkritiska och transkritiska CO2 system samt val av lämpliga Danfoss komponenter Användarhandbok
Innehåll Sidan Introduktion till denna handbok...3 Kännetecken för CO 2...3 CO 2 som köldmedium...4 1. Gaskylare och mellantrycksreciever...6 1.1 Allmän beskrivning...6 1.2.1 Gaskylningsstyrning med EKC 326...8 1.2.2 Vattenkyld gaskylare...9 1.3 Lyftkyld gaskylare...9 1.4 Sammanfattning... 12 2. Kaskadvärmeväxlare... 13 2.1 Allmän beskrivning... 13 2.2 Standard kaskadvärmeväxlare... 13 2.3 Kaskadvärmeväxlare och mellanliggande kärl... 14 2.4 Kaskadvärmeväxlare med sekundär kylning... 15 2.5 Sammanfattning... 15 3. Lågtrycksreciever/pumpseparator... 16 3.1 Typ av kaskadsystem... 16 3.2 DX system... 16 3.3 Pumpsystem... 17 3.4 Kombinerade system... 19 3.5 Sammanfattning... 19 4. Förångare... 20 4.1 Flödande förångare (pumpdrift)... 20 4.2 Direktexpansion... 21 4.3 Sammanfattning... 23 5. Kompressorer... 24 5.1 Kompressortyper och skyddsanordningar... 24 5.2 Kapacitetskontroll... 24 5.3 Nödvändig utrustning... 26 5.4 Komplett styrning... 28 6. Stillastående system... 29 6.1 Allmän beskrivning... 29 6.2 Extra kylsystem... 30 6.3 CO 2 avluftning... 30 6.4 CO 2 expansionskärl... 31 6.5 Sammanfattning... 32 7. Värmeåtervinning i CO 2 system... 33 7.1 Allmän beskrivning... 33 7.2 Värmeåtervinning (värmepump), enkelt system... 33 7.3 Värmeåtervinning, partiell... 34 7.4 Sammanfattning... 35 8. CO 2 Kaskadsystem... 36 8.1 Introduktion... 36 8.2 Temperatur och tryck i kaskadsystem... 36 8.3 Kaskadsystemets driftsekvens... 37 8.4 Insprutning till kaskadvärmeväxlare... 37 8.5 Elektronisk kontroll av kaskadsystem... 38 8.5.1 Kaskadsystem med DX och pumpad CO 2... 38 8.5.2 Kaskadsystem i kombination med brine... 39 9. Enkla transkritiska system för butikskyla... 41 9.1 Allmän beskrivning... 41 9.2 System med automatisk ventil... 42 9.3 System med termostatisk expansionsventil... 42 9.4 System med elektronisk expansionsventil... 44 9.5 Sammanfattning... 44 10. Transkritiska booster system... 45 10.1 Allmän beskrivning... 45 10.2 Transkritiska kaskadsystem... 46 10.3 Transkritiska boostersystem... 47 Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 1
Introduktion till denna handbok CO 2 har på senare år blivit ett allt viktigare köldmedium inom butikskyla. Av yttersta vikt för denna utveckling är att CO 2 är ett av få hållbara köldmedier för livsmedelsbutiker ur ett miljö- och säkerhetsperspektiv. Syftet med denna handbok är att ge en översikt av typiska CO 2 systemkonstruktioner för både subkritiska och transkritiska tillämpningar. Dokumentet kan vidare användas som en referensguide till Danfoss-komponenter för CO 2. Handbokens målgrupp är ingenjörer som börjar arbeta med CO 2 system. De första 7 kapitlen av användarhandboken beskriver byggelementen i CO 2 system medan kapital 8 till 10 handlar om de kompletta systemens konstruktioner. Påpekas bör också att handboken inte är någon slutgiltig guide för CO 2 system. När en konstruktion ska skapas är det mycket lämpligt att använda beräkningsprogram för komponenter som DIRcalcTM samt Danfoss datablad och annan relevant litteratur eller programvara. Kontakta Danfoss lokala försäljningskontor för svar på övriga frågor. Mer information finns också på Danfoss hemsida www.danfoss.com/co2 Kännetecken för CO 2 Figuren nedan visar ett temperatur/tryck fasdiagram för ren CO 2. Områdena mellan kurvorna definierar temperatur- och tryckgränserna vid vilka olika faser kan existera: fast, flytande, gas och som superkritisk vätska. Punkterna på dessa kurvor anger det tryck och motsvarande temperatur under vilka två olika faser kan existera i jämviktsläge, dvs. som fast och gas, flytande och gas, fast och flytande. Vid atmosfäriskt tryck kan CO 2 endast existera i fast- eller gasform. CO 2 har vid detta tryck ingen möjlighet att inta flytande form: under 78.4ºC är den en solid frusen is ; ovanför denna temperatur sublimeras den omedelbart till gasfas. Vid 5.2 bar och -56.6ºC når CO 2 ett unikt stadium kallat trippelpunkten. Vid denna punkt existerar alla tre faserna dvs. fast, flytande, gas samtidigt i jämviktsläge. Tryck [PSI] [bar] CO 2 Phase diagram Liquid Supercritical Solid Critical point: +31 C [87.9 F] 73.6 bar [1067 psi] Triple point: -56.6 C [-69.9 F] 5.2 bar [75.1 psi] Vapour Temperatur Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 3
CO 2 som köldmedium Densitet [Lb/ft 3 ] [kg/m 3 ] 93.6 1500 Densitet - CO 2 Vätske / Gas 62.4 1000 31.2 500 Vätske Kritisk punkt: + 31 C [87.9 F] 73.6 bar [1067 psi] Gas 0 0-40 - 20 0 20 40 [ o C ] - 40-4 32 68 104 [ o F ] Mättad temperatur CO 2 når sin kritiska punkt vid 31.1ºC. Densiteten för både vätske- och gasfasen är vid denna temperatur lika. Skillnaden mellan de båda faserna försvinner följaktligen och en ny fas uppstår i stället: den superkritiska fasen. Tryck-entalpi diagram används vanligen för kylsammanhang. Ovanstående diagram är utökat för att visa både den fasta och superkritiska fasen. CO 2 kan användas som köldmedium i ett antal olika systemtyper, inklusive både subkritiska och transkritiska. För alla slags CO 2 system måste både den kritiska punkten och trippelpunkten övervägas. Drifttryck för subkritiska cykler ligger vanligtvis inom områdena 5.7 till 35 bar, motsvarande -55 till 0ºC. Om hetgas används till avfrostning av förångarna blir drifttrycket ungefär 10 bar högre. Den klassiska kylcykeln, som vi alla är bekanta med, är subkritisk. Med andra ord, det totala området för temperatur och tryck ligger under den kritiska punkten och ovanför trippelpunkten. Ett en-stegs subkritiskt CO 2 system är enkelt men har också en del nackdelar pga dess begränsade temperaturområde och höga tryck. Transkritiska CO 2 system är, i nuläget, endast relevanta för mindre och kommersiella tillämpningar, exempelvis mobil luftkonditionering, små värmepumpar samt butikskyla, och är ännu inte helt anpassade till industriella system. Tryck [PSI] [bar] 1450 100 Log p,h-diagram CO 2 Super kritisk gas Vätska 145 10 Solid Fast Vätska Kritisk punkt: +31 C [87.9 F] 73.6 bar [1067 psi] Vätska - Gas Gas Fast Gas Trippelpunkt -56.6 C [-69.9 F] 5.2 bar [75.1 psi] 14.5 1-78.4 C [-109.1 F] Entalpi 4 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
CO 2 som köldmedium (forts) Tryck [PSI] [bar] 100 1450 90 1305 80 1160 70 1015 60 870 50 40 30 725 580 435 Subkritisk kylprocess -5.5 C [22 F] 20 10 290 145-40 C [-40 F] Subcritical 5 73 Entalpi Tryck [PSI] [bar] 35 C 100 1450 [95 F] 90 1305 80 1160 70 1015 60 870 50 40 725 580 Transkritisk kylprocess Gas Gaskylning cooling 95 C [203 F] 30 20 435 290-12 C [10 F] 10 145 5 73 Entalpi CO 2 används mestadels i kaskadsystem i industriell kylning då dess tryck kan begränsas tillräckligt för att kommersiellt tillgängliga komponenter som kompressorer, regulatorer och ventiler ska kunna användas. CO 2 kaskadsystem kan konstrueras på flera olika sätt, exempelvis: direktexpansionssystem, pumpcirkulationssystem eller CO 2 i sekundära brine system eller en kombination av dessa. Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 5
1. Gaskylare och mellanreciever 1.1 Allmän beskrivning Gaskylaren är den komponent i det transkritiska systemet som mest skiljer sig från ett system med konventionellt köldmedium. Den tar kondensorns plats i det konventionella kylsystemet. Vid temperaturer högre än 31ºC kan inte CO 2 kondenseras. Tryck och temperatur är följaktligen inte längre beroende av varandra under värmeavgivningsprocessen. Då CO 2 inte fasförändras i gaskylaren fortsätter temperaturen att sjunka då CO 2 passerar genom denna. CO 2 :s värmekapacitet ändras också när CO 2 kyls. Detta skiljer gaskylare från både vatten-till-köldmedium värmeväxlare, där värmekapaciteten är konstant, och kondensorer, där värmekapaciteten i gasfasen är relativt låg och mycket hög när gasen börjar kondenseras (fig. 1.1.1). Danfoss R64-1966.10 Danfoss R64-1967.10 Värmeavgivningen för kondenserande köldmedier Värmeavgivningen - transkritisk CO 2 Fig. 1.1.1 Värmeavgivningen för kondenserande köldmedier sker vid kontant temperatur och därför bestäms kondenseringstemperaturen av köldmedietemperaturen vid kondensorns utlopp eftersom den lägsta temperaturskillnaden ligger vid utloppet. Vid transkritisk CO 2 finns inte den lägsta temperaturdifferensen vid gaskylarens utlopp, utan antingen vid inloppet eller någonstans mellan in- och utlopp beroende på tryck- och temperaturförhållanden. Därför är det möjligt att uppnå mycket höga temperaturer med CO 2. För att få ut mesta möjliga effekt ur gaskylaren, är det viktigt att denna arbetar som motströmsvärmeväxlare. Temperaturskillnaden mellan luft och CO 2 som kylmedel är i en gaskylare vanligtvis hälften av vad som är normalt för ett kondenserande kylmedel. Vatten, brine och luft är de mest använda medierna för kylning i en gaskylare. Dessa beskrivs i nästa sektion. Då kylmedlets temperatur vanligtvis inte är konstant i en gaskylare kan trycket på högtryckssidan optimeras för att maximera COP (fig. 1.1.2). Trycket kan alltså styras beroende på CO 2 utloppstemperaturen från gaskylaren. Fig. 1.1.2: Optimal COP i gaskylaren 6 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
1.1 Allmän beskrivning (forts) Tryckoptimering sker med den Danfoss EKC 326 regulator och ICMT expansionsventil som är installerad på utgången från gaskylaren. Med denna konstruktion finns möjligheten att optimera gaskylningstryck och mellanreciever oberoende av varandra. Trycket i recievern är en viktig parameter men recieverns konstruktion är också viktig eftersom den vanligtvis även fungerar som vätskeseparator. För att hålla det mellanliggande trycket lågt strömmar flash-gas ut genom en by pass-ventil för gasen till kompressorns sugsida. Den 2-fasiga blandningen från ICMT expansionsventilen måste separeras innan gas går genom gas bypassen. Om separation inte är fullständig kommer vätska att ledas genom gas bypassen och in till högtryckskompressorn. Recieverns konstruktion måste därför övervägas mycket noggrant. En enkel undersökning av mellantrycket visar att trycket måste vara så lågt som möjligt för att minska mängden vätska i gas bypassen (fig 1.1.3). Vätska kan inte bara skada kompressorn utan riskerar även att minska systemets COP och är därför oönskat. Ett tryck på 30-35 bar (-8ºC/-10ºC) ställs ofta in då vätskefraktionen i gas bypass då uppskattningsvis är1-2%, vilket inte anses utgöra något praktiskt problem, och det finns då fortfarande en tryckskillnad på 4-10 bar, vilket är tillräckligt för AKV-ventilerna. 10 3 R744 Danfoss R64-1957.10-1 P [bar] 10 2 30 C 30 C 20 C 10 C 0 C -10 C -0.9-0.8-0.7-0.6 kj/kg-k 10 1 0.2 0.4 0.6 0.8 X=0.97 X=0.98 X=0.99 0 10-500 -400-300 -200-100 0 100 h [kj/kg] Figur 1.1.3: Cykel i log ph diagram vid 3 olika mellantryck (30, 35 och 40 bar) Trycket i recievern är konstant oavsett omgivningstemperatur, men flödesförhållandet mellan bypass av gas och vätskeledningarna varierar med trycket i gaskylaren och gaskylarens utloppstemperatur (fig. 1.1.4 och fig. 1.1.5). Transcritical operation Figur 1.1.4: Vätske-Gas fraktion vid 35 C utgång gaskylare/kondensor Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 7
1.1 Allmän beskrivning (forts) 10 3 R744 Danfoss R64-1962.10-1 P [bar] 10 2 16[%] 84[%] -0.9-0.8-0.7-0.6 kj/kg-k 10 1 0.2 0.4 0.6 0.8 0 10-500 -400-300 -200-100 0 100 h [kj/kg] Subcritical operation Figur 1.1.5: Vätske-Gas fraktion vid 10ºC utgång gaskylare/kondensor Oberoendet av omgivningstemperaturen och recievertrycket gör flödet i förångarna till en funktion av enbart kylkapaciteten. I transkritiska system utan gas bypass varierar massflödet med en faktor 2 enbart beroende på omgivningstemperaturen, vilket försvårar konstruktionen av sugledningar och oljeretur. 1.2.1 Gaskylningsreglering med EKC 326 Gaskylningsreglering är relativt nytt i kylsystem och man har därför utfört mycket forskning på detta under de senaste åren. I detta system har gaskylningsregleringen delats upp i 3 delar. Vid temperaturer som närmar sig den kritiska punkten förändras algoritmen och ökar gradvis underkylningen för att överbrygga skillnaden mellan konventionell reglering och transkritisk reglering. T sc Max. Trans P-band T tc Min. Vid transkritiska förhållanden är trycket en funktion av gaskylarens utloppstemperatur. Målet är att uppnå en så hög COP som möjligt vid den givna temperaturen. Gaskylarfläktarna regleras av CO 2 temperaturen ur gaskylaren. Om temperaturen underskrider det inställda värdet går fläktarna ned i varv. När inga kompressorer är igång stannar fläktarna helt. Subcool mode dp Subcool dt Subcool Transition zone subkritiska Figur 1.2.1: Gas Cooler controls in log P-h diagram I konventionella system används ofta trycket som en reglerparameter (då effektiviteten ökar i takt med minskningen av kondenseringstrycket) men på transkritiska system kan detta, under kalla perioder, öka underkylningen, vilket i sin tur resulterar i för lågt tryck i recievern och därmed inte tillräckligt differenstryck över expansionsventilerna. Vid låga temperaturer regleras systemet som ett konventionellt kylsystem där underkylningen är reglerande parameter (reglering är normalt inte nödvändig vid kondensering av kylmedel). 8 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
1.2.2 Vattenkyld gaskylare Vattenkylda gaskylare används ofta i värmepumpar och butikskyla där värmeåtervinning är en del av systemet. Vattenkyld gaskylare karaktäriseras av högt värmeflöde beroende på höga värmeöverförings-koefficienter på båda sidor och är därför mycket kompakt. Det höga trycket är ytterligare en faktor som skiljer sig från konventionella köldmedier. Kravet att kunna klara höga tryck tillsammans med motströmsväxling gör koaxialvärmeväxlare mycket väl lämpade för gaskylare. Tubvärmeväxlare och andra liknande principer ligger närmare korsflöde och är därför inte lämpliga i detta sammanhang. Den interna volymen av koaxialvärmeväxlare är mycket liten jämfört med kapaciteten, vilket i sin tur minskar den nödvändiga recieverstorleken. Detta är speciellt viktigt då ändringen i belastning i gaskylaren varierar stort med tryck och temperatur, vilket förstärker behovet av en värmeväxlare med liten internvolym. Höga CO 2 temperaturer skapar problem med kalksten som behöver åtgärdas. Hetgasen har i vissa system så hög temperatur som 160ºC och tillsammans med den relativt höga värmekapaciteten och höga värmeöverförings-koefficienten jämfört med andra köldmedier blir väggtemperaturen högre än för andra köldmedier. Vattenflödet i systemet kontrolleras av en AVTA tryckstyrd vattenventil, som reglerar efter hetgastemperaturen. CO 2 trycket regleras av en ICMT ventil och en EKC 326 regulator som får sina signaler från temperaturgivare och trycktransmitter AKS 32 (Fig 1.2.). AVTA Danfoss R64-1935.10 EKC 326A Från kylmöbler LP vätska köldmedium Figur 1.2.2: Vattenkylda gaskylare ICMTS Till kylmöbler 1.3 Luftkylda gaskylare Luftkylda gaskylare används ofta i kylsystem som saknar eller bara har partiell värmeåtervinning. Vanligtvis används lamell- eller tubpannekylare för CO2. De har lägre värmeöverföringskoefficient på luftsidan och värmeväxlarna är därför oftast större och med högre volym än vattenkylda gaskylare. Bruten termisk kontakt Omgivningstemperatur luft in Het CO 2 in Kalt CO 2 ut Figur 1.3.1 Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 9
1.3 Luftkyld gaskylare (forts) En intressant aspekt med CO 2 är att trycket kan sjunka utan att det påverkar kylcykelns effektivitet i samma grad som med konventionella köldmedier, och en sänkning av trycket med 0.5-1 bar är normalt. I praktiken är det ännu mer fördelaktigt med en högre trycksänkning då det kan bidra till att höja den interna värmeöverföringskoefficienten och därmed tillåter användning av mindre rör i gaskylaren (5/16 eller 3/8 är vanliga rörstorlekar i detta sammanhang). Luftkylare har inte perfekt motströmsflöde och värmeöverföring i lamellerna är därför ett problem som måste åtgärdas. Beroende på rörkonfiguration kan det finnas en temperaturskillnad på 100K mellan två rör med bara 20-25 mm avstånd. Rören sammankopplas av lameller med hög temperaturkonduktivitet och hög lamelleffektivitet för att göra värmeväxlaren mer effektiv. Detta möjliggör emellertid värmekonduktivitet från ett varmt rör till ett kallt rör, något som bör undvikas. Kapacitetsminskningen för denna värmebro kan vara så hög som 20-25%. Den kan sänkas eller elimineras genom att skilja på lamellerna. Gaskylarens internvolym är speciellt viktig då den påverkar recieverns storlek. CO 2 :s genomsnittliga densitet i gaskylaren ändras drastiskt, med skiften från transkritiska till subkritiska förhållanden och påverkar sålunda recieverns storlek. Extra uppmärksamhet måste ges till system där gaskylningen utförs i två delar, där den första delen består av värmning av vatten med en kompakt värmeväxlare och kylning av den transkritiska vätskan ned i den luftkylda gaskylaren (Se kapital 7 för fler detaljer). Den genomsnittliga densiteten är i detta fall mycket hög och volymvariationer är därför mycket stora. Underkylningen kan även orsaka stora variationer i gaskylarens laddning. Regleringen av underkylningen är därför mycket viktig. Det finns ett antal olika sätt att styra trycket: Metod 1: Koppla in gas by-pass för att minska trycket i distributionssystemen Efter högtrycksexpansionen separeras gasen och vätskan och gasen förbikopplas direkt till kompressorns sugsida. Vätskan distribueras till förångarna. Detta möjliggör användandet av standardprodukter. Mellantrycket styrs av ETS stegmotorventil och EKC 326 regulator, medan det höga trycket styrs av ICMT ventilen. EKC 326A AKS 2050 ETS ICMTS ill kylmöbler Figur 1.3.2: Mellantrycksreglering med ETS stegmotorventil Från kylmöbler 10 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
1.3 Luftkyld gaskylare (forts) Metod 2: I vissa vall (vanligtvis i större system) kan en ETS ventil ersättas av en ICS+CVP-XP pilotventil, som upprätthåller trycket i enlighet med inställningen av den speciellt konstruerade CVP-XP pilotventilen (Fig. 1.3.3). EKC 326A CVP-XP ICS 25-10 ICMTS Till kylmöbler Figur 1.3.3: Mellantrycksreglering med CVP-XP pilotventil Från kylmöbler Metod 3: Parallellkompression är en av de teknologier som finns tillgängliga för att minska energikonsumtionen. I det här fallet pressas gasen ihop direkt, istället för att förbikoppla gasen från recievern. EKC 326A Main compressor ICMTS Till kylmöbler Auxiliary Compressor Figur 1.3.4: Mellantrycksreglering med extra kompressor Från kylmöbler Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 11
1.4 Sammanfattning System Luftkyld gaskylare med motorventil Luftkyld gaskylare med en mekanisk reglerventil Luftkyld gaskylare med extra kompressor Fördelar Flexibelt system Lätt att använda Hög effektivitet Minskad energikonsumtion Begränsningar Använda Danfosskomponenter Lägre effektivitet än med parallellkompressor ICMTS EKC 326A ETS Endast ett börvärde tillgängligt ICMTS EKC 326A ICS+CVP-XP Kostnad och komplexitet ICMTS EKC 326A ETS 12 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
2. Kaskad värmeväxlare 2.1 Allmän beskrivning I ett kaskadkylsystem med CO 2 på lågtemperatursidan leds CO 2 kompressorns hetgas till kaskadvärmeväxlaren. Här avlägsnas värmen från lågtemperatursteget av högtemperatursteget och CO 2 hetgas kondenseras till högtrycksvätska. Högtemperatursteget absorberar värmen från lågtemperatursteget genom att förånga högtemperaturstegets köldmedium. Konstruktion, tillverkning, testande och installation av en sådan värmeväxlare är en av de mest komplicerade punkterna i kaskadkylsystemet. Det är mycket viktigt att dimensionera en kaskadvärmeväxlare korrekt, så att den fungerar väl vid både låg och hög kapacitet. Konstruktionen av en kaskadvärmeväxlare utgör en utmaning då den har fasövergångar från båda sidor. Om den är för stor så kommer det, vid delbelastning, att vara näst intill omöjligt att få stabil värmeväxling och optimal drift av systemet. I kommersiella kylsystem används vanligtvis plattvärmeväxlare för denna funktion. Till större system kan även andra modeller av kaskadvärmeväxlare användas. Vanligtvis används 3 olika konfigurationer med kaskadvärmeväxlare. 2.2 Standard kaskadvärmeväxlare EKC 316 Från kondensorer Till HT kompressor AKS 33 ETS EVR Från kompressorer LP vätska köldmedium Till LT kylmöbler Fig. 2.2.1: Kaskadvärmeväxlare med direkt hetgas från kompressorn Insprutning till kaskadvärmeväxlaren utförs av en motoriserad ETS ventil, styrd av EKC 316. EKC 316 aktiveras när kompressorn på CO 2 sidan startas. Detta övervakas av en maskinstyrningsregulator som kör systemet (exempelvis AK-PC 730 eller AK-PC 840), vilken i sin tur aktiverar EKC 316 och ETS motorventil. Det är också viktigt att vätska från en kaskadvärmeväxlare dräneras ordentligt. En utjämningsledning rekommenderas för att säkerställa detta. Var medveten om att ETS inte kan användas för lättantändliga köldmedier. Om exempelvis propan används på högtemperatursteget måste en mekanisk lösning med termostatisk expansionsventil användas. Regleralgoritmen förblir densamma. Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 13
2.2 Standard kaskadvärmeväxlare (forts) EKC 316 Från kondensorer Till HT kompressor AKS 33 Desuperheater ETS EVR +40 C +30 C LP vätska köldmedium Till LT kylmöbler Fig. 2.2.2: Kaskadvärmeväxlare med hetgasvärmeväxlare Danfoss Tapp_0150 2.3 Kaskadvärmeväxlare med mellanliggande kärl EKC 316 Från kondensorer Till HT kompressor AKS 33 ETS EVR Från kompressorer AKD AK-PC 730 AK-SM 720 SGN LP vätska köldmedium DCR Fig. 2.3.1. Kaskadvärmeväxlare med pumpcirkulation NRV Till LT kylmöbler En annan konfiguration av ett kaskad CO 2 system kräver inte någon separat utjämningsledning. En nackdel med detta system är att det är mer känsligt för CO 2 rörstorlek och layout. Högtemperaturreglering görs av samma ETS + EKC 316 system. Vätska ur kärlet pumpas till medium- eller lågtemperaturmöblerna. Flödet justeras efter trycket genom att varvtalsreglera pumpens hastighet med användning av exempelvis en AKD 102 frekvensomformare eller genom användning av fasta dysor. Varvtalsstyrning är att rekommendera ur effektivitetssynpunkt. 14 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
2.4 Kaskadvärmeväxlare med sekundär kylning Från HT kylmöbler HT köldmedium Till HT kylmöbler AB-QM Från kompressorer Till LT kylmöbler Fig. 2.4.1: Brine-kyld kaskadvärmeväxlare I senast beskriva konfigurering kan kaskadvärmeväxlaren användas i system där brine används för HT möbler. Samma pumpar kan även användas för kylning av kaskadvärmeväxlare. En Danfoss AB-QM ventil, konstruerad för lågtemperatur brinesystem, används för att reglera flödet till kaskadvärmeväxlaren. EV 220 magnetventiler kan också användas för brine. En fördel med denna uppsättning är att plattvärmeväxlarens funktioner fungerar som standard kondensor som är mycket enklare att dimensionera och reglera. Detta tillåter därmed en enklare mekanisk reglering med AB-QM. 2.5 Sammanfattning System DX DX med CO 2 kärl Sekundär kylning Fördelar Enkel rördragning Inget behov av Stabil drift utjämningsledning Begränsningar Utjämningsledning krävs Relativt komplicerad rördragning Systemet har lägre effektivitet Använda Danfosskomponenter AB-QM EKC 316 ETS AKS 33 EKC 316 ETS AKS 33 AKD Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 15
3. Lågtrycksreciever / pumpseparator 3.1 Typer av kaskadsystem Kärlens och värmeväxlarnas uppgifter och funktioner för CO 2 tillämpning är i stort sett de samma som för andra köldmedier. Kärlen måste konstrueras för att kunna möte köldmediets fysiska egenskaper. En vätskeseparator är ett kärl som, genom gravitation, skiljer vätska och gas och som även innehåller en styrd vätskenivå som går till förångarna. CO 2 skulle antingen kunna pumpas till förångarna eller flyta med tryckskillnaden från kompressorerna (DX system). En kombination av de båda är också möjlig om två temperaturnivåer krävs. Eftersom CO 2 har betydligt högre tryck än de flesta andra köldmedier, för motsvarande temperaturer, måste stor vikt läggas vid att definiera systemets arbetstryck och följaktligen även för kärlet. LP vätska köldmedium Fig. 3.1.1: Pumpsystem Fig. 3.1.2: DX system Fig. 3.1.3: Kombinerade system 3.2 DX systems Mindre DX system är mindre komplexa då de inte kräver pumpar eller styrsystem för vätskenivåer. En nackdel med dessa system är en effektivitetsminskning pga den högre överhettningsnivån. Detta är anledningen till att man vanligtvis använder dem till mindre system (exempelvis lågprisvaruhus eller närbutiker). Installation av AKV expansionsventil nära recievern rekommenderas för att undvika flash gas. Tryckfall i torkfilter måste också beaktas i denna konstruktion. AK-CC 550 AK-SM720 AKD AK-PC 730 KP6 KP6 KP6 KP6 HT köldmedium AKS 32 LP vätska köldmedium AKS 32R AKV Frysmöbel Fig. 3.2: CO 2 DX kaskadsystem lågtemperaturkrets DCR 16 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
3.3 Pumpsystem I pumpcirkulerade system pumpas köldmediet till förångarna med en specifik flödeshastighet. Ett cirkulationsförhållande på 1.5:1 till 2.5:1 innebär att ungefär två vätskeenheter pumpas ut och en enhet förångas. Lägre cirkulationsförhållande än i traditionella system kan accepteras tack vare CO 2 :s högre effektivitet. Industriella kylpumpar kan vanligtvis användas för större system. De är helt stängda och, om de är korrekt installerade, kräver endast minimalt underhåll. Det finns CO 2 pumpar på marknaden med flödesvärden ned till 0.5m 3 /h. Den återstående vätskan återvänder till kärlet som tvåfasigt flöde. Kärlet separerar sen det tvåfasiga flödet vilket samlar upp vätskan och låter den torra gasen gå ut till kompressorerna. Vätskenivåstyrning, systemkonstruktion Vätskenivå i pumpseparatorer styrs av en elektronisk expansionsventil (AKV, ETS eller ICM) som mottar en signal från EKC 347 regulator. Vätskenivån mäts av en nivåstav, typ AKS 41. Alla vätskecirkulerade pumpsystem har inte larmindikator för vätskenivå. Det är vanligt att det första tecknet på låg nivå kommer från differenstrycksdippar över vätskepumpen. Låg vätskenivå leder till lågt tryck vilket i sin tur gör att pumpen dippar på lågt differenstryck. Ett typiskt minimum för differenstryck över CO 2 pumpar ligger mellan 1 och 3 bar. Ett exempel på detta är när vätska kommer tillbaka från kylmöblerna till kärlet. Efter en fördröjningsperiod kommer pumpen att försöka återstarta tills det att ett önskat differenstryck uppnåtts. På horisontella recievers finns ofta flera synglas på olika nivåer, som kan ses nedan. EKC 312 EKC 347 ETS EVRA+FA Från HP vätskereciever Till kompressor AKS 41 SFA Från MT/LT kylmöbler SGRN+ RT 260A SGN LP vätska köldmedium NRV DCR Fig. 3.3.1: Lågtrycksreciever och pumpanordning Till MT/LT kylmöbler Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 17
3.3 Pumpsystem (forts) Pumpdesign När CO 2 tillämpningar med vätskepump konstrueras bör man noggrant beakta dimensionering och design av sugledningen till pumpen. Tumregeln för maxhastighet bör vara 0,3-0,5 m/ sek för att uppnå optimal funktion. Se alltid till att ha ett minimumflöde för kylning av motorlindningen i pumpens lågflödesområde. Detta åstadkoms genom användning av en Q-min dysa. Detta är särskilt nödvändigt när kylmöblerna har nått sina börvärden och alla magnet- eller AKV-ventiler har stängts. Två trycktransmittrar av modell och en maskinstyrningsregulator AK-SM 720, AK-PC 730 eller AK-PC 840 kan användas till detta ändamål. Denna funktion måste programmeras i boolsk logik. När CO2 pumpar drivs vid höga tryck kan inte standardmässiga säkerhetstryckstyrningar användas för differenstrycksskydd. Det är emellertid möjligt att utföra en säkerhetskrets genom användning av trycktransmitter och boolsk beräkning i AK-SM 720 eller de separata tryckswitcharna i AK-PC 730 och AK-PC 840. En Q-max dysa används för att bibehålla ett maximalt flödesvärde och sugtryck, för att bibehålla motorvarvtalet och förhindra kavitation (som vanligtvis inträffar efter avfrostning av förångarna). Alternativt kan en konstantflödesregulator användas istället för Q-max dysa när högre pumptryck vid högre flödesvärden krävs för att möta dessa krav. Fullgod pumpdrift i ett CO 2 system hänger på korrekt installation och drift. Fixtures Q-min orifice AK-PC 730 CO 2 pump Fig. 3.3.2: Q-min dysa (minimumflöde) anordning AKD 102 Fyra viktiga punkter måste observeras: Beakta min. sugtryck för att undvika kavitation (även om detta visat sig vara ett mindre problem än i freonsystem). Driften ska hållas inom tillåtet intervall, mellan min. och max.kapacitet. Lämplig automatisk avluftning av pumpen; med andra ord, undvik inlåst CO 2 vätska. Undvik plötsliga sänkningar av systemtryck eller temperatur. Varvtalsstyrning rekommenderas för kompressorerna. En frekvensomformare av modell AKD 102 kan med fördel användas för varvtalsstyrning av CO 2 pumpar, då dessa ofta är överdimensionerade. En backventil måste vanligtvis installeras i en pumps hetgasledning för att förhindra återflöde under period av stillastående eller parallelldrift. Till detta syfte kan NRV, CHV eller SCA ventiler användas, beroende på rördimension mm. SG ETS LP vätska köldmedium SG Fig. 3.3.3: Rekommenderad installation av torkfilter i CO 2 system 18 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
3.3 Pumpsystem (forts) Installation av en DCT torkfilter på pumpens hetgasledning eller på en parallelledning rekommenderas. En parallelledning kan vara att föredra i vissa fall då den reducerar trycksänkningen efter pumpen. Vattenkoncentrationen är högst i vätskeledningen och genom att installera ett torkfilter kan optimal separation av vatten från CO 2 uppnås. En ren molecular sieve insats ska användas. Se Danfoss tekniska data för filterkapacitetsberäkning och till kalkyleringsmjukvaran DIRcalc för tryckfallsberäkningar. Rekommendationerna för installation av filter är de samma för kaskad och transkritiska system. 3.4 Kombinerade system Kombinerad DX tillsammans med vätskecirkulerad CO 2 är tämligen vanligt för att åstadkomma två temperaturnivåer (som regel medium och låg temperatur). Detta kräver att vätskepumpens hetgassida ska vara kopplad som en flerkretslösning där den ger tillförsel till både hög- och lågtemperaturmöblerna. Detta för att försäkra att vätska är tillgänglig vid alla tillfällen och för att eliminera bortkokning av köldmediet pga. låga flödesvärden före expansionsventilen AKV på lågtemperatmöbler. I vissa systemtillämpningar där avståndet från maskinrummet överskrider 100 meter är det bäst att välja denna metod beroende på de högre flödesvärden som krävs för systemkonstruktionen. Till HT kylmöbler Till LT kylmöbler AK-PC 730 AK-SM 720 Fig. 3.4: Hetgasdesign för kombinerade HT- och LT-system AKD 102 3.5 Sammanfattning System DX Pump Kombinerat Fördelar Enkel. Kräver inte pumpar Hög effektivitet; CO 2 kan pumpas relativt långa avstånd Effektivitet ger 2 temperaturnivåer Begränsningar Använda Danfoss komponenter Energieffektivitet ej optimal NRV eller CHV DCR SGN Relativt komplex och dyr; Pumpens energikonsumtion är ofta mycket hög för små system NRV or CHV DCR SGRN+ AKS 41 EKC 347 AKV or ETS Relativt komplex; Det mest kostsamma av de tre alternativen NRV eller CHV DCR SGRN+ AKS 41 EKC 347 AKV eller ETS Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 19
4. Förångare Två slags förångare kan användas till CO 2 system, en för DX och en för pumpcirkulation. Det finns en skillnad i batteriets design, liksom i ventilerna som används och den reglerstrategi som tillämpas. Köldmediets effektivitetsvinster gör att rumstemperaturen kan uppnås med bara hälften så stor batteriyta, som då medför ytterligare avfrostningar för att motverka isbildning. För att optimera batteriet för CO 2 minskas både själva kretsen och rördimensionen tack vare CO 2 :s volymetriska effektivitet. Ett resultat av dessa ändringar är att kortare avfrostningsperioder krävs. Den andra fördelen med CO 2 är den korta pull down-tiden efter avfrostning jämfört med konventionella system. 4.1 Svämmande förångare (pumpcirkulation) Både formerna av förångare är enkla förångare med multikretsbatterier. Förångare för pumpcirkulation används som regel i MT-system som måste konstrueras för att kondensera CO 2 temperaturen i kaskadsystem eller mellantemperatur i transkritiska boostersystem. De stora fördelarna med CO 2 användning är minskningen av köldmediets mängd i det totala systemet samt rördimension och förångardimension som fortfarande klarar att leverera optimal värmeväxling och effektivitet. Kylkapaciteten ökas för en given batteristorlek och även oljecirkulationen i systemet förbättras. Enkelkretsförångare AK-CC 450 REG 10 NRV EVRH LP vätska köldmedium Kylmöbler Fig. 4.1.1: Enkelkretsförångare i pumpcirkulationssystem I Figur 4.1.1 visas ett typiskt pumpcirkulationssystem med kylmöbler av olika storlekar eller kylrumsförångare (de mindre når inställningarna snabbare). För att styra vätskeflödet till båda förångarna sätts en extra mekanisk regleringsventil från Danfoss (REG-10) på den mindre förångaren för att balansera vätsketillförseln. På detta sätt stabiliseras temperaturen mellan förångare av olika storlek. Huvudsil eller filter måste rengöras tillsammans med alla magnetventiler som måste inspekteras för främmande partiklar etc., 24 timmar efter anläggnings uppstart. Om inte dessa instruktioner efterföljs kommer det att leda till att magnetventilerna inte stänger korrekt med isbelagda förångare som följd. En av de viktigaste uppgifterna vid anläggningens uppstart är rengöring av filter/silar vid CO 2 maskinen och av magnetventilerna vid kylmöbler och kylrum. 20 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
4.1 Flooded evaporators (pumpcirkulation) (forts) Flerkretsförångare Figur 4.1.2 visar en typisk installation av pumpcirkulation i kylrum. Danfoss regleringsventil (REG-10) ansluts vid varje förångare. Detta görs som tidigare sagts för att ge likvärdig vätskedistribution till förångarna. Börvärdet för CO 2 i skåp och kylrum ställs betydligt varmare än för konventionella HFC system på grund av svämmande förångare. När magnetventilen stängts följer ytterligare en temperatursänkning på 2-4K efter batteriet beroende på den interna volymen och batteriets cirkulationsförhållande. Orsaken till detta är att CO 2 som finns kvar i batteriet fortfarande förångas med magnetventilen redan stängd. Till vätskeseparator NRV AK-CC 450 Från pump REG 10 REG 10 EVRH LP vätska köldmedium Frysmöbel Frysmöbel Fig. 4.1.2: Flerkretsförångare i pumpcirkulationssystem Elektronisk styrning Det finns 3 sätt att styra pumpförångare: Centralt från AK-SM 720 systemmanagern plus AK-XM I/O modul, bara magnetventil för att styra temperatur och avfrostning Decentralt från AK-CC 750 eller AK-CC 450 elektroniska regulatorer Decentralt från EKC regulatorer 4.2 Direktexpansion DX (direktexpansion) förångare i CO 2 system används vanligtvis för lågtemperaturförångare (t.ex. frysta varor eller frys/kylrum). Återigen kan man, beroende på CO 2 :s fördelar och effektivitet, minska ned rördimensionerna. Typiska rördimensioner överskrider inte 3/8 till 5/8 diameter och även förångarstorleken ska minskas för att anpassas till kapacitetsbehovet. Suggasvärmeväxlare rekommenderas i CO 2 kaskadsystem mellan CO 2 sugledning och högtrycksvätskan från högtemperatursteget. Detta rekommenderas eftersom överhettningen på sugsidan, som krävs av kompressortillverkarna, inte kan tillgodoses av lågtemperatur CO 2 vätska (dvs. den blir underkyld i processen). Avfrostning i dagligvaruhandelns CO 2 installationer genomförs ibland med brine, men oftast med elektriska värmeelement. Det är viktigt att kontrollera trycket under avfrostning, då detta lätt kan överskrida komponenternas maximala arbetstryck (vanligtvis 46 bar, ca 10ºC). Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 21
4.2 Direktexpansion (forts) HT-krets vätska från högtemperaturkaskaden Till kondensor NRV NRV AKV Frysmöbel Frysmöbel KP 6 Från HP receiver AKD 102 LP vätska köldmedium DCR Fig. 4.2.1: Typiskt LT-steg CO 2 system Elektronisk reglering Det är mycket viktigt att välja rätt elektronisk regulator för reglering av CO 2 köldmedium med tanke på gasens höga dynamik. Med konventionella köldmedier har dessutom den vanligaste metoden för överhettning tidigare varit att mäta temperaturen med två stycken temperaturgivare före och efter förångaren. När överhettningen i CO 2 systemet ska regleras är det av yttersta vikt att precis och verklig överhettningsmätning används för att regulatorns algoritm ska reagera på de snabba förändringarna i CO 2 tryck. Danfoss AK-CC 550 och AK-CC 750 diskregulatorer konstruerades för denna tillämpning och har visat sig mycket framgångsrika i denna tillämpning. Det är inte att rekommendera att använda HFC/ HCFC standardbatterier för CO 2, eftersom det då är mycket svårt att reglera överhettningen. AKS 32R AKS 32R NRV NRV Danfoss R64-1955.10 AKV AKV AK-CC 550 AK-CC 550 Frysmöbel Frysmöbel Från HP receiver LP vätska köldmedium DCR Figur 4.2.2: Överhettningsmätning med AKS temperaturgivare och AKS 32R trycktransmitter (individuell reglering) 22 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
4.2 Direktexpansion (forts) AKS 32R NRV NRV AK-CC 750 AKV AKV Frysmöbel Frysmöbel Från HP receiver LP vätska köldmedium DCR Fig. 4.2.3: Överhettningsmätning med AKS temperaturgivare och AKS32R trycktransmitter (1 regulator för upp till 4 förångare). Danfoss R64-1954.10 Det är viktigt att (Pt 1000) temperaturgivare och AKS 32R trycktransmitter används för överhettningsmätning för att säkerställa korrekt inmatning och respons. Erfarenheten visar att bara två temperaturgivare till mätning av överhettning inte är tillräckligt då systemet inte kan följa eller reagera snabbt nog på CO 2 dynamiken och det finns en risk att vätska kan komma tillbaka till kompressorerna. Denna konfiguration kan därför inte användas till CO 2 förångare. 4.3 Sammanfattning System DX Pump (enkelkrets/multikrets) Fördelar Optimal för Tillåter drift med 0 superheat lågtemperaturtillämpningar Begränsningar Energieffektivitet ej optimal Kräver lågtrycksreglerssystem med pumpar Använda Danfosskomponenter AK-CC 750 AK-CC 550 AKV AKS 32R AK-CC 750 AK-CC 450 EKC 414 eller EKC 514 REG ventil EVR AKS 12 Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 23
5. Kompressorer 5.1 Kompressormodeller och skyddsanordningar Nu för tiden kan flera företag erbjuda kompressorer för R744. Vissa av kompressorerna är på prototypstadiet medan andra har flera års användning bakom sig. Det finns hermetiska, semihermetiska och öppna kompressorer för både subkritisk och transkritisk drift. Vissa av de transkritiska kompressorerna drivs i ett steg och vissa drivs i två steg. Vissa av de transkritiska kompressorerna kan också utrustas med mellanstegskylning eller ekonomizerkoppling. Danfoss transkritiska CO 2 kompressorer, modell TN, är skräddarsydda för MBP tillämpningar såsom flaskkylare och varuautomater. Storleken på dessa enstegs kolvkompressorer, med ett varvtal på 2950 rpm, är 1 till 2.5 cm 3. För transkritiska system kan Danfoss erbjuda Danfoss-Saginomiya CCB patronpressostater. I små hermetiska system kan expansionsenheter, som exempelvis modell MBR och modell TBR, även agera som säkerhetsventiler genom att släppa tryck från högtryckssidan till lågtryckssidan. (Se även Kapitel 9, Enkla transkritiska system) I subkritiska system kan Danfoss KP6 tryckvakt med 45.6 bar som maximalt drifttryck användas. Den slittåliga MBC 5000 serien av tryckbrytare lämpar sig för både subkritiska och transkritiska system. MBC 5080 och MBC 5180 tryckdifferensbrytare kan även användas för kompressorns oljetryckskontroll. Nämnas måste emellertid att MBC inte har kategori 4 godkännande enligt PED. Säkerhetsventiler måste alltid installeras som en sista säkerhetsåtgärd. När tryckdifferensbrytare används för styrning måste också en extern tidsfördröjning användas. 5.2 Kapacitetsstyrning R744 är ett mycket effektivt och dynamiskt köldmedium. Med on/off-styrning är kylkapaciteten från kompressorerna mestadels antingen för låg eller för hög i förhållande till den verkliga kyllasten. Sugtrycket kommer med denna styrning dessutom att variera och detta har en negativ effekt för kompressorns smörjning, speciellt med CO 2. När en kompressor i en maskinstyrning varvtalsregleras av AKD 102 frekvensomformare kommer sugtrycket att vara mycket stabilt. Detta innebär också ett reducerat antal start/stopp av kompressorn. Antal kompressorer väljs efter lägsta önskade kapacitet, tillförlitlighet och totala kostnad. Fig. 5.2.1 illustrerar en maskinstyrning där en av de tre kompressorerna (vanligtvis den första kompressorn) varvtalsregleras av AKD 102 efter sugtrycket, som avläses av trycktransmitter AKS 2050. Figur 5.2. beskriver maskinstyrningens kapacitetskurva med 2, 3, 4 och 5 kompressorer när en av dem styrs av AKD 102 inom 30 60 Hz. Givare sugledning Givare hetgas AKD 102 Fig. 5.2.1: En av de tre parallellt anslutna kompressorerna styrs av AKD 102 27 100 % 19 100 % 14 100 % 12 100 % Fig. 5.2.2: Kapacitetsreglering, när en kompressor drivs på 30-60 Hz och de övriga on/off 50 Hz. 24 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
5.2 Kapacitetsreglering (forts) Nattetid och på helger kan kyllasten vara så låg att även det lägsta kapacitetssteget är för högt. För att ändra startordningen är en annan kompressor med AKD 102 en god lösning, se figur 5.2.3. Givare sugledning Givare hetgas AKD 102 AKD 102 Fig. 5.2.3: Två av de fyra parallellkopplade kompressorerna styrs av AKD 102 Figur 5.2.4. beskriver kapacitetskurvorna på maskiner med 2, 3, 4 och 5 kompressorer där två av dessa styrs av AKD inom 30 60 Hz. Detta ger steglös kapacitetsreglering från min. till max. kapacitet. 25 100 % 18 100 % 14 100 % 11 100 % Fig. 5.2.4: Kapacitetsreglering, när två kompressorer styrs på 30-60 Hz och de andra on/off 50 Hz Dessa exempel använder kompressorer av samma storlek. Genom att använda kompressorer av olika storlek är det också möjligt att uppnå kapacitetsreglering även utan frekvensomformare AKD. Här måste man emellertid ta med i beräkningarna vad som kommer att hända om den största kompressorn skulle haverera. När kompressorerna styrs med variabelt varvtal måste lägsta och högsta tillåtna hastigheter väljas i enlighet med tillverkarens rekommendationer. Sug- och hetgasledningarna måste vara storleksanpassade och installerade så att oljecirkulationen säkerställs vid alla belastningsförhållanden. Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 25
5.3 Nödvändig utrustning En vätskeavskiljare i sugledningen rekommenderas starkt om kompressorn inte är högre eller varmare placerad än förångarna. Vätskeavskiljare i sugledningen rekommenderas även i övriga situationer, eftersom de flesta kompressorhaverier inträffat medan fyllning och start av systemet. Även om kompressorn normalt stoppas med pump down teknik finns en risk för vätskeslag om strömtillförseln upphör eller om säkerhetsinstallationer stoppat kompressorn. Systemet måste vara konstruerat så att samlad vätska eller ånga inte kan orsaka för högt tryck under användning, service eller reparation av systemet. Detta inkluderar även kompressorer (2) och oljeretursystem som består av en oljeseparator (3), en oljebehållare (4), differenstrycksregulator (5), ett oljefilter (6) och oljenivåregulator (7). Vid kompressorer som inte är utrustade med oljepump rekommenderas användning av oljenivåregulator som stoppar kompressorn om oljenivån är för låg. Det är också värt att utrusta oljebehållaren (4) och vätskebehållaren (8) med nivåkontroll (9) som avger ett larm om nivån sjunker för lågt. Kaskadvärmeväxlaren (10) måste placeras och kopplas så att den dränerar vätskebehållaren. Ledning av kondensatledningen till botten av recievern alternativt att den kopplas från recieverns botten kommer att bidra till dränering av kaskadvärmeväxlaren. Beroende på systemet finns antingen köldmedium eller brine på den kalla sidan av kaskadvärmeväxlaren. När hetgasledningen är gjord av stål och i synnerhet om det finns risk för vibrationer är CHV backventil (11) det ideala valet. Både stål och rostfria stålversioner finns tillgängliga med ett maximalt arbetstryck (MWP) på 52 bar. Vid kopparrör används NRV och NRVH backventiler med en MWP på 46 bar. För kopparrör används avstängningsventil och isolationskulventiler (15). För stål och rostfri stålrörsanvändning erbjuder Danfoss ett brett urval av SVA avstängningsventiler och SNV avstängnings/nålventiler för att användas som serviceventil. SFA säkerhetsventil (16) skyddar systemet mot alltför höga tryck. I vätskerecievern är vanligtvis två säkerhetsventiler kopplade till dubbelavstängningsventilen DSV (17). Ibland är vätskerecievern utrustad med tryckvakt (KP 6 tryckbrytare eller MBC) som avger ett larm och öppnar magnetventilen EVRH (18) när trycket närmar sig öppning av säkerhetsventilen. På detta sätt kan förlusten av CO 2 i de flesta fall minimeras. Transkritiska system beskrivs i kapitel 10. Sugledningsfilter (12) DCHR med sil skyddar kompressorn mot smutspartiklar inuti systemet. DCHR kan kopplas till både koppar och stålrör. Den som föredrar rostfria stålrör kan använda FIA filter. Till CO 2 rekommenderar vi att man använder ren molecular sieves cores i DCHR torkfilter. Synglaset kommer att visa om den relativa fuktigheten i CO 2 är alltför hög. 26 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
5.3 Nödvändig utrustning (forts) 12 DCRH AK-PC 730 CVPP-HP 5 ICS 25-10 SCA 11 SCA SCA SCA 11 11 11 KP6 KP6 KP6 KP6 4 1 1 1 2 2 2 AKD 102 1 2 DMT 6 SGRN OIL 7 3 SG 15 14 SG 16 SFA DCR 13 SGN KP6 SFA 17 10 Danfoss R64-1979.10 LL 8 9 18 EVRH6 Fig. 5.3.1: Schematisk systembild av subkritisk CO2 maskinstyrning. Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 27
5.4 Komplett styrning I kaskadsystem är det viktigt att åtminstone en kompressor på högtemperatursidan redan körs innan den första kompressorn på lågtemperatursidan startas. Annars kan kompressorn på lågtemperatursidan kopplas ur på grund av det höga trycket. Det är också viktigt att ETS-ventilen inleder insprutningen till kaskadvärmeväxlaren samtidigt som den första kompressorn på lågtemperatursidan startar. Den ska också stoppa insprutningen när den sista kompressorn på lågtemperatursidan har stoppat. Danfoss maskinstyrningsregulatorer som AK-SM 720, AK-PC 730 och AK-PC 840 är specialkonstruerade med inbyggda styrfunktioner för att samordna dessa funktioner. Växlingen från transkritisk drift till subkritisk drift och det optimala trycket i gaskylaren styrs av EKC 326A, plus ICMT motoriserad ventil. AK-PC 730 HT kompressor LT fråga Kapacitetsfråga Kapacitetsfrisläppande HT kompressor HT frisläppande LT kompressor LP vätska köldmedium LT kompressor AK-PC 730 Fig. 5.4.1: Styrning av kaskadsystem 28 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
6. Stillastående system 6.1 Allmän beskrivning Det första steget för att definiera beräkningstrycket är att bestämma systemparametrarna. Beräkningstryck beror på: Tryck under drift Tryck under stillastånd Temperaturbehov för avfrostning Trycktolerans för säkerhetsventiler (10-15%) Tryck vid stillestånd är som regel den huvudsakliga begränsande faktorn för beräkningstrycket i CO 2 system. De flesta system med traditionella köldmedier kan stoppas utan risk för att trycket ska överstiga komponenternas maximala arbetstryck (MWP). Stilleståndstryck för CO 2 kan vara så högt som 65-80 bar (vilket motsvarar 25-30ºC). Detta ligger ovanför MWP för de flesta nu kommersiellt tillgängliga komponenter. Är det inte möjligt att konstruera ett system som kan klara så höga stilleståndstryck måste steg istället tas för att hålla CO 2 trycket lågt i både transkritiska och kaskadinstallationer. Bar 60 Två huvudfaktorer definierar CO 2 tryck under stilleståndsfas: Omgivningstemperatur och systemets fyllning Så länge som CO 2 är i flytande tillstånd är systemtrycket mättat och motsvarar omgivningstemperaturen (dvs. omgivningstemperatur 20ºC motsvarar cirka 57 bar). När CO 2 är i gasform är det inte längre mättat, vilket betyder att tryckökningen här är lägre, men fortfarande högre än för andra traditionella köldmedier. Som ett exempel: om den totala CO 2 fyllningen omvandlas till gas vid 0 C så motsvarar dess tryck ungefär 34.8 bar. Med en ytterligare temperaturökning på upp till 30ºC stiger dock trycket bara till 42.5 bar. Systemtryck p + 15% 50 40 52 bar 754 psi p + 10% Mättnadstryck p 30 40 bar 580 psi 25 bar 363 psi 20-30 -20-10 0 10 20 C Fig. 6.1.1: Beräkningstryck / temperatur för CO 2 +30 C Uppvärmning 0 C CO 2 [bar] 50 40 30 34.8 bar 42.5 bar T P CO 2 : P / T ~ 0.26 20 10 R717: P / T ~ 0.020 0-10 0 10 20 30 40 R134a: P / T ~ 0.015 50 [ C] Fig. 6.1.2: CO 2 vätskeexpansion Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 29
6.1 Allmän beskrivning (forts) Principen kan användas för att begränsa tryckökningar i systemet. Se 6.4. De vanligaste sätten att hålla trycket lågt under stillestånd är som följer: 6.2 Reservkylsystem Om en tryckökning sker under stillestånd startas ett reservkylsystem som kyler ned CO 2 tanken och som på så sätt begränsar trycket till under det accepterade maximaltrycket. Ett aggregat mottar en signal från tryckbrytaren på recievern (KP eller MBS 5000 modell, beroende på trycket). KP6 SFA I båda fallen används en liten kondensorenhet för att kyla CO 2 tanken. Systemet är vanligare för större kommersiella tillämpningar (t.ex. större stormarknader, kylhus etc). Danfoss OPTYMA TM aggregat kan med fördel användas för denna tillämpning. Dedicated generator Fig. 6.2.1: Reservkylsystem CO 2 receiver 6.3 CO 2 avluftning En mindre mängd CO 2 kan vid tryckökningar släppas ut i atmosfären innan det nått designtrycket. Trycket kommer därför att sjunka baserat på: Frisläppning av en begränsad mängd CO 2 i atmosfären Kylning av den kvarvarande vätskan orsakat av kokande CO 2 När trycket i recievern stiger ovanför börvärdet för CVP-XP börjar en tryckregleringsventil släppa ut CO 2 i atmosfären. Då CVP-XP är en proportionell reglerventil är frigörandet av CO 2 långsamt och endast en mycket begränsad mängd av CO 2 läcker ut. En ICS tryckregulator kan användas för detta syfte. För mindre system kan en CVP-XP pilotventil sättas direkt inuti själva CVH-ventilen. Medan trycket i recievern sjunker börjar flytande CO 2 koka bort. Detta orsakar en temperatursänkning och en ytterligare trycksänkning. Om trycket stiger till 10-15% ovanför börvärdet för CVP-XP sker en tömning av en större mängd CO 2 ut i atmosfären. Detta system kan visa sig mycket kostnadseffektivt då bara en liten mängd CO 2 behöver släppas ut. En annan valmöjlighet är att installera en EVRH 6 magnetventil på recieverns utloppsrör. Magnetventilen styrs genom boolsk logik i en AK-SM 720 systemmanager, AK-PC 730 eller AK-PC 840 maskinregulator som i sin tur mottar signal från en trycktransmitter. Det är viktigt att EVRH6 installeras vid rörets mynning för att undvika torrisbildning. En enklare version av detta system fås med en EVR 6 (NO) med en KP 6 tryckbrytare. CVP-HP Utomhus ICS 25-10 SFA+DSV Vätska + gas Fig. 6.3.1: CO 2 avluftningssystem med pilotreglerad ventil Receiver (HP or LP) 30 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
6.3 CO 2 avluftning (forts) AK-PC 730 AK-SM 720 SFA+DSV Utanför systemet EVRH Vätska + gas Receiver (HP eller LP) Fig. 6.3.2: CO 2 avluftningssystem med pilotreglerad ventil 6.4 CO 2 expansionsventil I system med begränsad fyllning kan ett separat expansionskärl användas för att behålla en acceptabel trycknivå. När trycket ökar i systemet expanderar CO 2 till kärlet genom NRV ventilen. Detta kärl behöver vara tämligen stort för att kunna samla tillräckligt CO 2 för att hålla trycket i det övriga systemet konstant. När systemet startas igen släpps CO 2 gas tillbaka till sugledningen via en ICS mottrycksregulator med CVC-HP pilotventil. För mindre system kan en CVC-HP ventil användas direkt inuti CVH kroppen. CVC-XP Ansluten till sugledning ICS 25-10 SFA+DSV NRV Gas Fig. 6.4: CO 2 expansionskärl Specialreciever Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 31
6.5 Sammanfattning System Reservkylsystem CO 2 avluftning Expansionskärl Fördelar - Inga CO 2 utsläpp i atmosfären - Inga ytterligare kärl behövs - Enkel systemkonstruktion - Inga ytterligare eller speciella kärl behövs - Extra strömkällor inte nödvändiga - Inga CO 2 utsläpp i atmosfären - Extra strömkällor inte nödvändiga Begränsningar - Specialkonstruerat kärl - Kräver oavbruten strömtillgång - Reservkylningen behöver användas - Kan vara relativt dyr - CO 2 frigörs i atmosfären - Kräver precisa fyllningsuträkningar - Kräver ett extra kärl - Kräver precisa fyllningsuträkningar - Kan vara relativt dyr Använda Danfoss komponenter OPTYMA aggregat, MBS 500 eller KP tryckbrytare ICS+CVP-XP eller CVH+CVP-XP tryckregulator kulventil SFA15 säkerhetsventil EVR NO KP ICS+CVC-XP eller CVH+CVC-XP tryckregulator kulventil SFA15 säkerhetsventil NRV backventil 32 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
7. Värmeåtervinning för CO 2 system 7.1 Allmän beskrivning Värmeåtervinningssystem för kylning har beskrivit i åtskilliga böcker och artiklar. När man konstruerar ett kylsystem med CO 2 kan värmeåtervinning mycket väl vara ett av kundens krav. Det finns olika lösningar för detta. Två principer kommer att beskrivas i nästföljande stycken. (a) partiell och (b) full värmeåtervinning Vissa områden behöver speciellt beaktas när dessa system konstrueras: Vätskekondenseringen i återvinningsenheten Att undvika kokning på vattensidan Tillräcklig vattenkvalité, olika nivåer av kalciumkarbonat, bakterier, etc. Temperaturnivåer vid drift som undviker för låg/hög kondenseringstemperatur Det är allmänt känt att värmeåtervinning med CO 2 fungerar utmärkt i transkritisk läge. Men även i subkritiskt läge är värmeåtervinning med CO 2 betydligt effektivare än för exempelvis 134a och 404A. Det är också möjligt att nå höga temperaturer i subkritiskt läge tack vare temperaturdistributionen tvärsigenom kondensorn. Med en kondensortemperatur på +15 C kan ungefär 30% av energin återvinnas vid cirka +60 C. 7.2 Värmeåtervinning (värmepump), enkelt system Det enklaste systemet visas i fig. 7.2.1 utan underkylare. I det här fallet är det vattensidan som bestämmer systemlasten. Systemet begränsas av funktionaliteten på vattensidan då värmen på denna sida alltid måste avlägsnas från kylcykeln. Nackdelen med detta system är att det är mycket svårare att erhålla mest effektiva arbetspunkt för gaskylaren. Kompressorstyrning AK-SM 720, AK-PC 730 eller AK-PC 840 Gaskylarkontroll EKC 326A plus ICMTS Bypassventilstyrning ETS + EKC 326A Water EKC 326A ICMTS ETS Fig. 7.2.1: Enkelt värmeåtervinningssystem Danfoss R64-1976.10 Med ett normalt värmeåtervinningssystem måste värmeväxlaren vara noggrant storleksanpassad för kontinuerlig drift som gaskylare och vattnet måste noggrant kontrolleras. Underkylaren måste vara optimerad efter arbetspunkten för processen. Huvudskälet till att ha två värmeväxlare är för att kunna ha två oberoende vattenflöden och på så vis uppnå högsta möjliga prestanda. Ventilen används när det inte finns något vattenflöde och fungerar endast i ett on/off läge. Om vattenpumpen inte är i gång öppnas ventilen och förbikopplar CO 2. Detta görs för att undvika en överhettning av vattenvärmeväxlaren. En ICMT ventil kan användas till detta syfte. Styrning av högtrycksventilen kan, som vanligt, utföras av en EKC 326A som kan användas till den här funktionen också. EKC 326A kan också styra ETS ventilen för gas bypassen medan ICMT ventilen är i drift. Kompressorstyrning AK-SM 720, AK-PC 730 eller AK-PC 840 Gaskylarstyrning EKC 326 plus ICMTS Bypassventilstyrning ETS + EKC 326A Kondensorstyrning AK-PC 420 Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 33
7.2 Värmeåtervinning (värmepump), enkelt system (forts) Värmeåtervinningsenhet F s Styrventil och pump på vattensidan Kondensor +50 C +25 C +15 C +10 C EKC 326A Underkylare ICMTS Mellantrycksreciever ETS Fig. 7.2.2: System för värmeåtervinning (eller värmepump) Danfoss R64-1933.10 7.3 Värmeåtervinning, partiell Denna tillämpning liknar den tidigare tillämpningen bortsett från det faktum att det är möjligt att använda en traditionell gaskylare i kombination med värmeåtervinningsenheten, något som gör detta till ett mycket flexibelt system. Den stora fördelen med detta är möjligheten att anpassa systemet till vissa speciella behov, vilket säkerställer tillräcklig kylning på kylkretsens högtryckssida. Kompressorstyrning AK-SM 720, AK-PC730 eller AK-PC840 Gaskylarstyrning EKC 326A plus ICMTS Bypassventilstyrning ETS + EKC 326A Kondensorstyrning AK-PC420 I nya konstruktioner av EKC 326 går det att styra ICMT och ETS samtidigt med samma regulator. Värmeåtervinningsenhet F s +50 C Styrventil och pump på vattensidan +25 C Luftkyld kondensor EKC 326A ICMTS Mellantrycksreciever ETS Fig. 7.3: Partiellt värmeåtervinningssystem. Danfoss R64-1933.10 34 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
7.4 Sammanfattning System Enkelt värmeåtervinningssystem Helt värmeåtervinningssystem (värmepump) Partiellt värmeåtervinningssystem Fördelar Enkelt system Högpresterande Flexibelt system Begränsningar Svårt att hålla stadig Komplext system; 2 x Större fyllning temperatur värmeväxlare krävs Använda Danfoss komponenter ICMTS EKC 326A ETS AK-PC 730 (eller AK-PC 840) AK-PC 420 AK-SM 720 ICMTS EKC 326A ETS AK PC 730 (eller AK-PC 840) AK-PC 420 AK-SM 720 ICMTS EKC 326A ETS AK PC 730 (eller AK-PC 840) AK-PC 420 AK-SM 720 Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 35
8. CO 2 kaskadsystem 8.1 Introduktion Kaskadsystem används inte i butikskyl-tillämpningar med traditionella köldmedier. Det finns flera skäl till detta, som exempelvis behovet av att bibehålla två olika köldmedier i ett system; styrstrategi (speciellt till kaskadvärmeväxlare) är mera komplext. Samtidigt så ger CO 2 användning i kaskadsystem ett antal fördelar: Arbetstryck på CO 2 i kaskadsystem är lågt (vanligtvis 40-45 bar) Systemets effektivitet är högt även i varma klimat Endast en liten mängd köldmedium behövs för det högre temperatursteget Temperaturskillnaden för kaskadvärmeväxlare är relativt låg Exempel på typiska kaskadlayouter kan ses i kapitel 3 (fig. 3.1.1 till 3.1.3). På högtemperatursidan kan HC, HFC och NH3 användas. Notera att användandet av HC köldmedium beror på lokal lagstiftning och täcks inte av denna manual. Ammoniak/ CO 2 kaskadsystem har den högsta effektiviteten av alla. Om HFC ska användas till det höga temperatursteget är R134a det val som är att föredra tack vare dess termodynamiska egenskaper och lägre (jämfört med R404A) GWP potential. Värmeöverföring från den låga till den höga temperatursidan sker så som visas i bild 9.1 och det är viktigt att dimensionera högtemperaturkondensorn korrekt. correctly. M1 M2 Q Q+M1+M2 LP vätska köldmedium Fig. 8.1: Energiöverföring i ett kaskadsystem Q+M1 8.2 Temperatur och tryck i kaskadsystem Mellantemperaturen i ett kaskadsystem väljs baserat på den temperatur som krävs för högtemperaturdiskarna i en butik vilket innebär att de kan kylas direkt av CO 2. Mellantemperaturen kan också optimeras för högsta möjliga energieffektivitet om systemet endast används för låga temperaturer. Då ett kaskadsystem faktiskt består av två olika kylsystem i samverkan men som samtidigt är isolerade vid kaskadvärmeväxlaren så kan det beräknade arbetstrycket vara olika för dem. CO 2 :s arbetstryck baseras vanligtvis på komponenternas tillgänglighet och ligger på nivån 40-45 bar (motsvarande +5 - +10 C). För att förhindra att trycket stiger ovanför tidigare nämnda nivåer rekommenderas stillestånd- system. Säkerhetsventiler bör ha den högsta inställningen. Till exempel: CO 2 sidan Systemkonstruktionens arbetstryck (mättad sugtemperatur): 40 bar (+5ºC) Inställning för säkerhetsventil: 36 bar (-10% MWP) Systemets säkerhetsinställning: 34 bar (-1ºC) Tryckinställning för CO 2 hetgas: 30 bar (-5ºC) Desto högre kaskadvärmeväxlarens effektivitet är desto lägre är skillnaden mellan kondenseringstemperaturen för CO 2 och förångningstemperaturen för köldmediet på högtemperatursidan. I takt med att temperaturskillnaden i kaskadkondensorn sjunker, stiger kylsystemets totala effektivitet. Ju mindre temperaturskillnad, desto dyrare blir kaskadkondensorn. On systems with low temperatures of the dischar- 36 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
8.2 Temperatur och tryck i kaskadsystem (forts) På system där temperaturen på CO 2 :s hetgas är låg (låg överhettning), kan expansionsventilens överhettning fungera som värmeväxlarens dimensioneringsfaktor. Om ett CO 2 system har hög överhettning kan överhettningsreduktion behöva användas för att reducera belastningen på högtemperatursidan. Optimalt mellanliggande tryck i CO 2 kaskadsystem beror på ett antal parametrar (högtemperaturköldmedium, lastmönster, etc). I regel behöver två scenarier övervägas: System med last vid mellantemperaturen. I detta fall ska det mellanliggande trycket vara så högt som möjligt för att reducera lasten vid högtemperatursteget. Begränsningarna är därför temperaturbehovet på den mellanliggande nivån och systemets tryckuppsättning. System utan last vid mellantemperatur. I detta fall ska den mellanliggande temperaturen vara i nivån -10 0ºC där den lägre nivån definieras av effektivitet och den högre av systemets tryckuppsättning 8.3 Kaskadsystemets driftsekvens Det är viktigt i kaskadsystem att åtminstone en kompressor på högtemperatursidan körs innan den första kompressorn på lågtemperatursidan kan starta. Annars kan kompressorn i lågtemperatursidan kopplas ur pga. högt tryck. Samma sekvens gäller också för fyllning av systemet. Först och främst måste högtemperaturkretsen fyllas med köldmedium och startas. När detta är gjort kan CO 2 fyllas i lågtemperatursystemet. Högtemperaturens expansionsventil (ETS) till kaskadvärmeväxlaren ska starta samtidigt som högtemperaturkompressorerna. Ventilen kontrollerar sedan högtemperaturgasens överhettning. LT kompressorer startas sen av CO 2 tryckökningen på sugledningen. 8.4 Insprutning till kaskadvärmeväxlare Insprutningen av vätska till plattvärmeväxlare är ingen lätt uppgift. Värmeväxlaren är ofta kompakt och tidskonstanten är därför mycket låg. AKV ventiler rekommenderas därför inte för denna tillämpning. Motorventiler eller andra ventiler som ger ett konstant flöde rekommenderas. Överhettningsreduktion av CO 2 gas som går in i kaskadvärmeväxlaren kan också rekommenderas, av tre skäl. Ett skäl är att gasen ofta är 60ºC och värmen kan därför avstötas till omgivande atmosfär eller utan problem användas för värmeåtervinning. Det andra skälet är för att reducera termisk stress i värmeväxlaren. Det tredje skälet är att CO 2 gas ger höga värmeflöden som därigenom orsakar instabila förhållanden på förångningssidan. Det rekommenderas därför att man reducerar överhettningen på CO 2 sidan. Distribution på CO 2 sidan är en annan kritisk punkt. Värmeväxlaren måste därför vara konstruerad för direktexpansion för att säkerställa att blandningen av gas och vätska blir jämnt distribuerad till värmeväxlaren. När värmeväxlaren är konstruerad för rimliga trycksänkningar vid delbelastning kommer oljetransport och distribution att fungera under de allra flesta förhållanden. Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 37
8.5 Elektronisk styrning av kaskadsystem En ETS ventil i kombination med en EKC 316 ger vanligtvis den bästa regleringen på kaskadvärmeväxlare. EKC 316 använder både tryck och temperatur, som mäts vid värmeväxlarens utgång, för att styra överhettningen. Temperaturgivaren bör placeras vid klockan 12 på röret och trycktransmittern bör placeras så att det inte finns någon risk för olje- eller vätskefickor. 8.5.1 Kaskadsystem med DX och pumpad CO 2 Kaskadsystem med CO 2 pumpcirkulation på MT tillhörde de första CO 2 installationerna som installerades efter att CO 2 användningen återupptogs inom kylindustrin och används fortfarande i stor utsträckning. Kaskadsystemets effektivitet är förmodligen bland de högsta möjliga och är också unik vad gäller de små rördimensionerna för både LT och MT jämfört med de system som använder brine. Pumpcirkulationssystem är bäst lämpade för installationer med relativt hög kapacitet. I mindre system eller i system med mycket varierande belastningar kan pumpar vara svåra att styra. AK-PC 730 AKD 102 EKC 316 AKD 102 DCR GD AKS 33 ETS EVR AK-SM 720 SFA 15 AK-PC 730 AK-CC 450 NRV Pump EVR AKD 102 SGN AKS 32R GD AKD 102 AKS 32 DCR NRV AK-CC 550 NRV AKV Fig. 8.2: Kaskadsystem med pumpad MT CO 2 och DX LT CO 2 38 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
8.5.2 Kaskadsystem i kombination med brine System med brine på MT och CO 2 på LT har tillverkats sen 1998 och används fortfarande i stor utsträckning i Norden. Brinesystem tycks nu sakta vara på väg att fasas ut till förmån för kaskadsystem med enbart CO 2 eller transkritiska system. AK-PC 420 AKD 102 AK-CH 650 M AKD 102 EKC 316 AKS 32 AK-CC 450 EKC 316 GD AKS 33 ETS EVR AKS 11 AK-SM720 DCR AB-QM AK-PC 730 SFA 15 EVR ETS AKS 32R AK-CC550 NRV AKV AKD 102 DCR NRV GD Fig. 8.3: Kaskadsystem med MT brine och DX LT CO 2 LP vätska köldmedium Brine Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 39
8.5.2 Kaskadsystem i kombination med brine (forts) Fördelen med brinesystemet är att det har relativt låg tidskonstant vilket gör kompressorn lättare att styra. För att bromsa ned systemet ännu mer används brine kretsen för att kondensera CO 2. Fördelen med detta är att det är lättare att styra kaskadvärmeväxlaren. Nackdelen är att det finns två temperaturskillnader istället för en. Max kondenseringstemperatur för CO 2 sätter gränsvärdet för brine-temperaturen. AK-PC 420 AKD 102 AK-CH 650 M AKD 102 AK-CC 450 EKC 316 AKS 33 AKS 11 GD AK-SM 720 AB-QM DCR ETS EVR AB-QM AK-PC 730 SFA 15 AK-CC550 AKS 32R NRV AKV AKD 102 DCR NRV GD Fig. 8.4: Kaskadsystem med DX LT CO 2, MT brine och brinekyld kaskadvärmeväxlare Brine 40 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
9. Enkla transkritiska system för butikskyla 9.1 Allmän beskrivning Transkritisk systemdesign varierar i komplexitet från enkla system som används i enhetlig utrustning, så som plugin-diskar, till mera avancerade konstruktioner som används i stormarknadernas maskinstyrningssystem. De enklaste transkritiska systemkonstruktionerna används i enhetlig utrustning installerad i eller utanför själva butiken. Dessa konstruktioner inkorporerar få elektroniska komponenter med enkel högtrycksstyrning som en strypfläns eller ett kapillärrör som samtidigt fungerar som expansionsenhet. För tillämpning där högre prestanda eller effektivitet krävs, inkorporeras en automatisk mottrycksregulator i konstruktionen. (För mer information om CO2 egenskaper och teori för den transkritiska processen, se Danfoss tillämpningsartikel PZ.000.F1.02.) Figur 10.1 visar ett rördiagram för ett mycket enkelt transkritiskt system. Systemet består av en kompressor (TN modell), en gaskylare, en förångare och en expansionsventil. En fast flödesbegränsning (t.ex. en strypfläns eller ett kapillärrör) är den enklaste expansionsenhet som kan användas. I sådana system styrs inte högtrycket och systemet kommer följaktligen bara köras med optimalt högtryck och maximal effektivitet (eller kapacitet) på ett enda driftvillkor. En annan möjlighet är att använda en termostatventil som reglerar gaskylningstemperaturen. TN kompressor Danfoss R64-1950.10 Figur 9.1.1: Layout över enkelt kylsystem för transkritisk drift Systemets prestanda kan höjas genom användning av en intern värmeväxlare mellan sugledningen och gaskylarens hetgasledning (figur 8). Om expansionsenheten är ett kapillärrör kan den interna värmeväxlaren etableras genom en lödning av kapillärröret, eller delar av det, till sugledningen. Layouten som visas i figur 9.1.2 kan användas för system med medelvariationer i omgivningstemperaturen men med kapacitet eller effektivitetskrav vid endast en fastställd driftpunkt. När driftförhållandena ändras (t.ex. omgivningstemperatur eller förångningstemperatur under pull down), kommer köldmediets distribution mellan komponenterna också att förändras. Följaktligen ändras även trycket i gaskylaren. För tillämpningar som kräver varierande driftförhållanden som måste tillmötesgå kapacitets- och effektivitetskrav måste en styrventil för högtryck användas. Detta kan vara antingen en mekanisk eller en elektroniskt styrd ventil. Det kan dessutom visa sig nödvändigt att installera en lågtrycksreciever för att kompensera för variationer på högtryckssidan. intern värmeväxlare TN kompressor Danfoss R64-1982.10 Figur 9.1.2: Layout för transkritiskt kylsystem med intern värmeväxlare och fast flödesbegränsning som expansionsenhet Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 41
9.2 System med automatisk ventil Ett system med automatisk ventil visas i figur 9.2. Ventilen känner av inloppstrycket (gaskylningstrycket) och öppnar och stänger efter ett inställt börvärde för inloppstrycket. Ventilens börvärde kan justeras manuellt. Danfoss MBR ventil har konstruerats och tillämpas för detta syfte. Den automatiska expansionsventilen kan användas för system som har små variationer i omgivningstemperaturen (dvs. endast för omgivningstemperaturer som ligger ovanför den kritiska temperaturen) men med kapacitetskrav eller effektivitetskrav vid två eller fler driftpunkter. intern värmeväxlare TN kompressor LP vätska köldmedium MBR Figure 9.2: Layout för ett transkritiskt kylsytem med intern värmeväxlare och en automatisk ventil som expansionsenhet Danfoss R64-1982.10 9.3 System med termostatisk expansionsventil Ett system med termostatisk expansionsventil visas i figur 9.3.1. Ventilen använder en traditionell bulb (fylld med en vätske/ångblandning av något ämne) för att känna av köldmediets utgångstemperatur från gaskylaren och kontrollerar därigenom inloppstrycket (gaskylningstrycket). Alternativt kan bulben känna av en luftkyld gaskylares luftintagstemperatur. Den termostatiska expansionsventilen kan användas för system som körs med stora variationer i omgivningsförhållanden och med kapacitetsoch effektivitetskrav vid två eller fler driftpunkter. intern värmeväxlare TN kompressor LP vätska köldmedium Figur 9.3.1: Layout för ett transkritiskt system med intern värmeväxlare och en termostatisk expansionsventil som expansionsenhet. 42 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
9.3 System med termostatisk expansionsventil (forts) Prestandaförbättringar för den här sortens system kan fås genom användning av lågtrycksreciever så som visas i figur 9.3.2. När temperaturen i den termostatiska expansionsventilen förändras, tas eller ges högtrycksköldmediet från/till lågtrycksrecievern. Det är viktigt att undvika oljeansamling i recievern. Detta kan undvikas genom att en oljedräneringsledning låter en liten mängd flytande olja/köldmedium lämna recievern och gå in i den interna värmeväxlaren. En enkel elektronisk regulator (exempelvis EKC 202) kan användas till att styra systemet. intern värmeväxlare TN kompressor Danfoss R64-1952.10 Figure 9.3.2: Layout för ett transkritiskt kylsystem med intern värmeväxlare, en termostatventil som expansionsenhet och en lågtrycksreciever. Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 43
9.4 System med elektronisk expansionsventil Full styrflexibilitet kan uppnås med ett system som använder en elektroniskt JKV expansionsventil och en elektronisk EKC 326 systemregulator som mottar information om en eller flera temperaturer och tryck i systemet. Det är också nödvändigt att använda en pulsomvandlare för stegmotorventilen. Layouten som visas i figur 9.4 kan användas för system med drift med stora variationer i omgivningstemperaturen och med extrema kapacitetseller effektivitetskrav vid alla driftförhållanden. Sådan styrflexibilitet är vanligtvis endast nödvändig i system som ska analyseras i laboratorieexperiment. Andra systemkonfigurationer än de som visas i det här dokumentet är också möjliga. Val av systemkonfiguration beror på prestandakraven för givna designförhållanden eller kanske till och med en given applikationsdesign. intern värmeväxlare TN kompressor JKV LNE EKC 326A Danfoss R64-1953.10 Figur 9.4: Layout för transkritiskt system med intern värmeväxlare och en elektroniskt styrd ventil som expansionsenhet 9.5 Sammanfattning System Kapillärrör Mekanisk ventil Termostatisk expansionsventil Fördelar Enkel och pålitlig Justeras för Justeras för varierande varierande kapacitet omgivningstemperatur Begränsningar Endast optimerad för specifika förhållanden OEndast ett börvärde; reagerar inte på ändringar i omgivningstemperature Inte optimal för varierande kapacitet Elektronisk expansionsventil Full kontroll och optimering av systemet Det mest komplexa och dyra systemet Använda Danfoss komponenter TN kompressor MBR TN kompressor TN kompressor JKV puls omvandlare EKC 326 TN kompressor 44 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
10. Transkritiska booster system 10.1 Allmän beskrivning Det transkritiska systemet är ett av de allra mest lovande för kalla klimatområden. Anledningen är att energikonsumtionen är på samma nivå eller bättre än för R404a system och att konstruktionen är relativt enkel. Ett typiskt transkritiskt CO 2 booster system är uppdelat i tre trycksektioner. Högtryckssektionen börjar vid högtryckskompressorn (1), genom gaskylaren (2) och sugledningens värmeväxlare (3), till styrventilen för högtryck. Konstruktionstrycket i denna sektion ligger vanligtvis mellan 90 och 120 bar. Styrning och reglering av ett transkritiskt system kan delas upp i fyra grupper: gaskylningsstyrning, insprutningsreglering, recieverstyrning och kapacitetsstyrning av kompressor. Den mellanliggande trycksektionen börjar vid ventilen för högtryck (4) där flödet delas upp i gas och vätska i recievern (5). Gasfasen skickas till högtryckskompressorns sugledning genom en bypass ventil (6). Vätskan flyter till expansionsventilerna (7 och 8) där den expanderar före MT (9) och LT (10) förångarna. Gasen från LT förångaren pressas ihop i LT kompressorn (11) och blandas med gas från MT förångaren och från gasbypassen. Härifrån äntrar gasen sugledningens värmeväxlare och avslutar kretsloppet genom att gå till HP kompressorn. Konstruktionstrycket för MT sektionen är ofta 40-45 bar, samt 25 bar för LT sektionen. Det tycks finnas en tendens att konstruera MT och LT sidorna för samma tryck. Trycket i recievern styrs av en stegmotorventil (6). Trycket i recievern måste vara större än förångningstrycket i MT förångarna för att säkerställa differenstryck över expansionsventil MT (7). Å andra sidan måste trycket vara lägre än konstruktionstrycket. Alla visade styrningar, förutom gaskylarstyrningen, är standardutrustning från Danfoss för användning på konventionella system och används redan flitigt av industrin. 4 5 7 8 6 GC PC MT 9 LT 10 Figur 10.1: PI diagram av det transkritiska booster systemet med gas bypass 2 3 1 Danfoss R64-1960.10 11 Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 45
10.2 Transkritiska kaskadsystem LP vätska köldmedium Maskinstyrningsregulator AK-PC 730 styr kondenseringstrycket och är standardregulator för styrning av en suggrupp i kylsystem. Regulatorn kan styra kondenseringstrycket i LT kretsen samtidigt som den övervakar sugtrycket. AK-PC 730 kan också samordna LT och HT start för att försäkra optimal drift. Insprutningsreglering för kyldiskar och kylrum är en standard elektronisk regulator. AK-CC 550 använder pulsbreddsmodulerande insprutningsventil AKV och patenterade mjukvarualgoritmer för att optimera systemprestanda och drift. AKV ventilen används också som standardventil för HFC köldmedium. Hanteringen och övervakningen av det totala systemet utförs genom antingen AK-SM 350 eller AK-SM 720 beroende på önskad systemdesign. EKC 326A AK-PC 730 GD ICMTS AKS 11 ETS AK-SM 720 AKS 32R DCR AK-CC 550 AKV AKS 32R ETS EKC 316 SFA 15 AK-PC 730 GD DCR AK-CC 550 AKS 33 AKD 102 AKS 11 Danfoss R64-1974.10 AKV Figur 10.2: Transkritiskt kaskadsystem 46 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
10.3 Transkritiskt boostersystem LP vätska köldmedium Maskinstyrningsregulator AK-PC 730 styr sugtrycket och är standardregulator för en suggrupp i alla kylsystem. AK-PC 730 kan också samordna LT och HT start för att försäkra optimal drift. Insprutningsreglering för kylmöbler och kylrum är en standard elektronisk regulator. AK-CC 550 använder pulsbreddsmodulerande insprutningsventil AKV och patenterade mjukvarualgoritmer för att optimera systemprestanda och drift. AKV ventilerna används också som standardventiler för HFC köldmedier. Hanteringen och övervakningen av det totala systemet utförs genom antingen AK-SM 350 eller AK-SM 720 beroende på önskad systemdesign. EKC 326A AK-PC 730 GD ICMTS AKS 11 ETS AK-SM 720 AKS 32R DCR AK-CC 550 AKV AK-PC 730 GD AK-CC 550 AKS 32R AKD 102 AKS 11 Danfoss R64-1974.10 AKV Figur 10.3: Transkritiskt boostersystem Danfoss A/S (DE-BD), Oct.. 2009 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 47
48 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Danfoss A/S (DE-BD), Oct. 2009
Danfoss Din leverantör av CO 2 lösningar Danfoss erbjuder ett komplett utbud av ventiler för CO 2 kaskadsystem Komplett ADAP-KOOL styr- och reglerlösningar Danfoss har mer än 15 års erfarenhet av att utveckla subkritiska och transkritiska CO 2 system Danfoss har genomfört ett stort antal tester för att säkerställa att de komponenter som utvecklats för användning med CO 2 i samtliga fall kan klara dessa tillämpningar Läs mer om Danfoss CO 2 produkter och lösningar besök oss på www.danfoss.com/co2 DKRCE.PA.R1.A1.07 / 520H3692 Produced by Danfoss DE/BD. Sep. 2009