Transkritisk CO2 kylning med värmeåtervinning Författare: Kenneth Bank Madsen, Danfoss A/S & Peter Bjerg, Danfoss A/S Transkritiska CO 2 system har erövrat stora marknadsandelar de senaste åren, och baserat på både politikers och den allmänna opinionens önskemål har beslutsfattare runt om i världen i allt större utsträckning fokuserat på att använda CO 2 som sitt huvudsakliga köldmedium. Denna utökade fokus gör det betydligt intressantare från kylanläggningstillverkarnas ståndpunkt att utnyttja möjligheterna med CO 2. Som köldmedium har CO 2 mycket goda möjligheter att kunna återvinna värmen från systemen. Teknologin som används i transkritiska system är relativt ny men under snabb utveckling och har nu nått en grad av mognad där möjligheten att använda värmeåtervinning är synbar. I synnerhet ger de mogna förpackningarna, som huvudsakligen utvecklats i de nordiska länderna, nu enkla och pålitliga metoder för att designa transkritiska värmeåtervinningssystem, som kan förse hela installationen med ALL nödvändig värme. Den transkritiska teknologin öppnar för nya möjligheter att göra saker. Värmeåtervinningens kapacitet kan variera från 0-100 % av kapaciteten, men den riskerar också orsaka högre energikonsumtion om den inte utförs på korrekt sätt. Det huvudsakliga syftet med ett värmeåtervinningssystem är att återvinna den erforderliga värmen, vid den nödvändiga temperaturen och med så hög effektivitetsgrad som möjligt. En kortare beskrivning ges i denna artikel av systemdesign och kontrollstrategi. Systemdesign Som regel placeras alla värmeväxlare i en serie för att optimera systemets COP genom att säkerställa lägsta möjliga temperatur ur gaskylaren. Ibland kan man placera hur många värmeväxlare som än behövs i serie, men det vanligaste för de flesta system är en eller två värmeväxlare för värmeåtervinning och en luftkyld gaskylare. För att erhålla varmt kranvatten rekommenderas ett system med två värmeväxlare, då detta säkerställer systemets högsta möjliga effektivitet. Nackdelen är förstås en högra initial kostnad, men i många fall kommer en återbetalningsanalys att visa att detta trots allt är bästa lösningen. I denna artikel använder vi en värmeväxlare för värmeåtervinning och en luftkyld gaskylare, men kontrollstrategin är den samma även om flera värmeväxlare används.
Figur 1: Grundläggande systemdesign för transkritiska värmeåtervinningssystem Från kompressorn går hetgasen in i den första 3-vägsventilen. I värmeåtervinningsläge leds gasen till värmeåtervinnings värmeväxlaren. I denna kyls gasen ned till lägsta möjliga temperatur. Den vanligaste värmeväxlaren för värmeåtervinning är rör i rör eller plate värmeväxlare. Från värmeväxlaren leds sen den nedkylda gasen genom en andra 3-vägsventil. Ventilen vägleder gasen genom den luftkylda gaskylaren eller förbikopplar den direkt till högtrycks expansionsventilen. Detta är den grundläggande inställningen. Många variationer på den kan förekomma, men detta är den vanligaste och mest använda. Kontrollstrategi För att uppnå målet med att återvinna den erforderliga värmen, vid den behövda temperaturen och så effektivt som möjligt, måste kontrollstrategin klara av detta. Följande åtgärder kan användas för att genomföra detta. Pumphastighet på sekundärsidan Fläkthastighet på gaskylaren Högt tryck Gaskylar bypass Det viktiga är att man utför dessa åtgärder på korrekt sätt för att optimera systemets produktion. Danfoss strategi är att göra detta i 5+1 steg. Värmebelastningen på värmesystemet matas tillbaka till regulatorn från the building management system eller från en P1 regulator.
Följande beskrivning följs av ett mindre exempel. Grundläggande data för exemplet är: Omgivningstemperatur 0 C Vatteningångstemperatur 25 C Vattenutgångstemperatur 65 C Utgångstemperaturskillnad luftkyld gaskylare subkritisk 8 K Utgångstemperaturskillnad luftkyld gaskylare transkritisk 2 K Utgångstemperaturskillnad värmeåtervinning värmeväxlare 5 K Steg 0 Figur 2: Diagram Steg 0. Normal kylning Steg 0 är för normal kylning utan någon värmeåtervinning. Skulle något gå fel används steg 0 som felsäkert läge för att undvika godsskador. Kylning är alltid första prioritet.
Exempel I steg 0 är läget för kylning endast och högtrycket ligger därför så lågt som möjligt. I det här fallet är högtrycket optimerat till 8 C. Ingen värme återvinns. Steg 1 Figur 3: Diagram steg 1
I steg 1 är pumpen påslagen. Det finns flera olika sätt på vilka man kan reglera pumphastigheten, men normalt regleras hastigheten för att bibehålla en fast temperatur ur värmeväxlaren, men temperaturskillnaden på vattnet eller ingående vatten kan också användas. Alla är tillämpliga i olika system. När pumpen drivs på minimihastighet och flödesvakten i vattenkretsen är på och temperaturen i vattenkretsen ligger under 95 C vrids 32-vägsventilen. Pumphastigheten justeras så att temperaturens börvärde uppnås. Detta kommer avlägsna delen av övre värmen med den högsta temperaturen. Om detta visar sig otillräckligt för att uppfylla värmebelastningen kommer regulatorn att tvångsöverföras till steg 2. Exempel I det här exemplet är pumpen i drift, men hetgastemperaturen är inte tillräckligt hög för att uppnå den behövda temperaturen och systemet kommer därför snabbt att övergå till Steg 2. Hade omgivningstemperaturen varit högre så skulle hetgastrycket, och därigenom även hetgastemperaturen, ha varit högre och det skulle ha funnits värme att återvinna.
Steg 2 Figur 4: Diagram steg 2 I steg 2 är pumpen fortfarande i drift i enlighet med temperaturen, men det höga trycket drivs up för att tillgängliggöra en större del av värmen vid den behövda temperaturen. Detta görs genom att ändra börvärdet i högtrycksregulatorn och därigenom stänga högtrycksexpansionsventilen. Det högre trycket ökar kompressorns prestationsförmåga men ger också en mycket stor ökning av värmekapaciteten och är följaktligen ett logiskt val. I steg 2 är värmeförkastningen i den lyftkylda gaskylaren fortfarande en stor del av den totala värmeförkastningen i systemet. Då det inte är möjligt att öka trycket ytterligare, eller kanske inte effektivt att höja det mer, måste värmeförkastningen begränsas för att få ut mer värmekapacitet av systemet.
Exempel Genom att höja på trycket ökar också den delen av värmeförkastningen som kan återvinnas, samtidigt som också hetgastemperaturen ökar. Vid cirka 85 bar (i detta exempel) är det inte längre effektivt att höja trycket mer. Kompressorkapaciteten skulle då bli för hög och den återvunna värmen ökar inte i samma takt. Steg 3 Figur 5: Diagram steg 3
I Steg 3 drivs börvärdet för fläktarna gradvis upp tills det att fläktarna stannar. Detta gör att värmeförkastningen från de luftkylda gaskylarna minskar. Detta resulterar i minskad kylkapacitet, men systemet kompenserar i form av ökad kompressorkapacitet. Det resulterar också i ökad kapacitet för värmeåtervinningssystemet. Även när fläktarna står stilla är gaskylarens naturliga konvektion tillräcklig för att kosta systemet viss mängd kapacitet. Exempel Genom att minska kondensorfläkthastigheten sänks kapaciteten. Därför ökar värmeåtervinningen, och den del som släpps ut i omgivningen minskar.
Steg 4 Figur 6: Diagram steg 4 I steg 4 förbipasseras den luftkylda gaskylaren för att på så vis undvika naturlig konvektion och följaktlig värmeförkastning från denna del av systemet. Precis som i steg 3 minskar detta kylkapaciteten, men systemet kompenserar i form av ökad kompressorkapacitet. Detta resulterar också i ökad arbetsmängd för kompressor, men även i ökad kapacitet för värmeåtervinningssystemet. I detta läge förkastas ingen värme till omgivningen och systemet drivs i stort sett som ett värmepumpssystem fast med kontrollgivaren på lågtemperatursidan.
Exempel Genom att gaskylaren kringgås måste all värme som förkastas från systemet gå in i värmeåtervinningssystemet. Steg 5 I steg 4 återvinns all värme som förs in i systemet. Om värmebehovet fortfarande inte möts behöver belastningen på systemets kalla sida höjas. Detta kan åstadkommas genom att sätta på en extra förångare som tar värme från omgivningen. Effektiviteten för detta är lägra en för de andra stegen, men utgör en enkel lösning för att få mer värme. Effektiviteten bör analyseras årligen, för antalet drifttimmar i steg 5 bör tas i beaktning. Exempel Log P-h diagrammet är samma som i steg 4 eftersom det är systemets enda massflöde som justeras genom att lägga på mer kapacitet på förångarsidan. Funktioner och utmaningar Värmeåtervinning i transkritiska system är inte trivial och vår erfarenhet är begränsad. Vissa saker skiljer sig från konventionella system, men de behöver bara adresseras och hanteras.
Kondensering i värmeåtervinningsvärmeväxlaren Då det är möjlig att utföra en delåtervinning kan CO 2 delvis kondenseras i värmeåtervinningsvärmeväxlaren. Vid användning av mer än en värmeväxlare växer problemet följaktligen, och strategin blir aningen mer komplex för att förhindra de olika sorters problem som kan uppstå. Ett problem som kan uppstå är att vätska kan lagras i en del av systemet, och sedan, beroende på gastrycket, med hög hastighet fara in i systemet och kanske allvarligt skada delar av systemet. Problemet kan hanteras på flera olika sätt. Systemet kan tvångförsättas i transkritiskt läga när behov för värmeåtervinning föreligger. Detta kommer minska systemets effektivitet, men driften är säker då det bara finns en fas. Ingångsvattentemperaturen kan hållas hög nog (kanske 30 C) för att försäkra om att det inte kan kondenseras. Detta tvingar inte systemet att köra transkritiskt men minskar ändå effektiviteten. Denna regleringsstrategi kan utföras med en mixing loop på vattensidan. Trycket i systemet kan regleras på ett sådant sätt att överhettningen från värmeåtervinningen hålls högt nog för att försäkra om att kondensation inte kan ske. Detta är ett säkert och mycket effektivt sätt att kontrollera processen. Se till så att temperaturen mellan olika värmeväxlare ligger på en lämplig nivå. I vissa system är inte kondensation något problem, men detta måste tas med i systemdesignen. Belastningsvariation En annan fråga som behöver adresseras är variationer i belastningen. Den genomsnittliga densiteten för CO 2 i gaskylaren varierar med en faktor på 2 under olika förhållanden. Med värmeåtervinning i systemet ökar detta problem dramatiskt. Men genom att avlägsna värmen i värmeåtervinningssystemet ökar kylgasens densitet före den luftkylda gaskylaren och detta gör att massan i den luftkylda gaskylaren ökar! Den luftkylda gaskylarens interna volym måste därför hållas till ett minimum utan att kompromettera systemets arbetsförmåga. Detta kan utföras genom att man väljer små diametertuber i gaskylaren. Slutsats Värmeåtervinning i transkritiska system är ett mycket attraktivt alternativ till HFC lösningar. Effektiviteten är högre och de temperaturer som kan uppnås är högre än med HFC teknologi. Teknologin för optimerad värmeåtervinning finns nu på marknaden och flera installationer är i drift i de nordiska länderna. Med dessa installationer är det möjligt för korrekt designade system, där värmebehovet inte är alltför stort, att eliminera ytterligare värmekällor. Detta gör värmeåtervinning mycket intressant när man tittar på den totala kostnaden.