PentaProp Bästa teknologi för miljövänlig bergvärmepump Kyl och Värmepumpdagen, Stockholm, 2017-10-20 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 1
Medfinansiärer Granryd Consulting Professor emeritus Eric Granryd Partner KTH, Energiteknik Professor Björn Palm Projektledare, Utförare Klas Andersson Engineering Klas Andersson 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 2
Mål Cost: x Cost: x-y? 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 3
Resultat Efter första året - Halvvägs > 5 kw värme < 100 gram R290 COP 1 < 5 Rent vatten som köldbärare 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 4
Nytt Mål 10 kw värme < 150 gram R290 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 5
Slutresultat Efter två år 10 kw värme 100 gram R290 COP 1 ~ 5 vid 5kW Rent vatten som köldbärare Frysrisk! 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 6
Hur Minimala inre volymer Rimligt tryckfall 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 7
Värmeväxlare ~ 0,9 liter/m 2 ~ 0,44 liter/m 2 ~ 0,5 liter/m 2 < 0,4 liter/m 2 2004 2013 2017 Förångare ~ 70g R290 Kondensor ~ 125g R290 Förångare < 30g R290 Kondensor < 60g R290 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 8
PentaProp Airec / Granryd Små portar Nytt mönster - Underkylare spalt < 1mm Asymmetrisk Befintlig tillverkningsteknik Olika mönster för kondensor och förångare 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 9
5kW 10kW Fler plattor i kondensorn Samma förångare Ytterligare potential finns 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 10
Kompressor 33 cm 3 Copeland ZH04 1300 cm 3 Esterolja Sanden SHS33 0-150 cm 3 PAG-olja 23 kg ~ 70 g R290 364 mm 6,8 kg 220 mm 700-9000 rpm Tålig, Tyst Semihermetisk Kort livslängd < 15 g R290 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 11
Fyllnadsmängd i kompressor Ungefärliga uppskattningar gram 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Högtrycksida Lågtrycksida Olja T 1sat =40 C T ut =65 C Traditionell POE Ny varvtalsstyrd POE Sanden PAG T 2sat =5 C T olja =34 C T in =19 C Dehua Cai a, Guogeng He a,*, Tetsuhide Yokoyama b, Qiqi Tian a, Xiaohan Yang a, Jiao Pan a School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China b Mitsubishi Electric Corporation, Amagasaki 200030, Japan 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 12
Suggasvärmeväxlare Skrot 5kW 10kW Vätska 2 st. 4x1mm Vätska 3 st. 10x0,6 mm Suggas 6 st. 8x2mm Suggas 16 st. 10x1,2mm L = 400 mm L = 300 mm Temperaturverkningsgrad ~ 0,4 Temperaturverkningsgrad ~ 0,5 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 13
Torkfilter 5 kw 10 kw 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 14
Expansionsventil Kontroll 5 kw 10 kw 1 a b c d e f 3 Sanhua ventiler 8 kombinationer 30mm 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 15
Delarna ihop - Systemet Refrigerant Propane Pressure line Liquid line. Filter/dryer to sight glass Expansions valve liquid side Suction line. Evap to suc hex Service vale and connection T 1,sat [ C] 40 Pressure line 0,5 0,5 d [m] 0,00783 d [m] 0,003 d [m] 0,0043 d [m] 0,011 d [m] 0,005 T 2,sat [ C] 2 Condenser inlet port 0,2 L [m] 0,4 L [m] 0 L [m] 0,06 L [m] 0,6 L [m] 0,1 T discharge [ C] 75 Condenser channels 49,6 p sat [Pa] 1511 p sat [Pa] 0 p sat [Pa] - p sat [Pa] 1046 V [m 3 ] 1,96E-06 Mass flow [kg/s] 0,015 Condenser outlet port 0,7 T sat ( p sat ) [ C] 0,05 T sat ( p sat ) [ C] 0,00 T sat ( p sat ) [ C] - T sat ( p sat ) [ C] 0,07 Charge [g] 0,0 η suc,hex 0,5 Total in condenser 50,5 Charge [g] 0,5 Charge [g] 0,0 Charge [g] 0,4 Charge [g] 0,57 T suc,gas [ C] 21 Liquid line. Cond to filter/dryer 0,0 P1 Pressure meter p 1,sat [MPa] 1,369 Filter/Dryer 2,8 PentaProp Condenser Sight glass Expansions valve: p2 side Suchex vapour inlet manifold d [m] 0,01 p 2,sat [MPa] 0,504 Liquid line. Filter/dryer to sight glass 0,0 Number of plates 50 d [m] 0,004 d [m] 0,005 Charge [g] 0,07 L [m] 0,05 ρ liq [kg/m 3 ] 467,5 Sight glass 0,0 L [m] 0 L [m] 0,04 V [m 3 ] 3,93E-06 ρ discharge [kg/m 3 ] 24,5 Liquid line. To suc/liq. hex. 0,4 Condenser inlet port p sat [Pa] 0 p sat [Pa] - Suchex vapour hex channels Charge [g] 0,1 ρ suction,gas [kg/m 3 ] 10,0 Suc./liq hex: liquide side 3,6 d [m] 0,013 T sat ( p sat ) [ C] 0,00 T sat ( p sat ) [ C] - Charge [g] 0,58 ρ exp.valve,out [kg/m 3 ] 57,4 Liquid line. To exp valve 0,7 L [m] 0,054 Charge [g] 0,0 Charge [g] 0,0 P2 Pressure meter ρ condenser,vapor [kg/m 3 ] 30,2 Total liquid parts 7,5 p sat [Pa] 18 Suchex vapour outlet manifold d [m] 0,01 Expansion valve: liquid side 0,4 T sat ( p sat ) [ C] 0,00 Liquid line. To Suc/liq hex Line Exp. valve to evaporator inlet Charge [g] 0,07 L [m] 0,05 Expansion valve: p2 side 0,0 Charge [g] 0,2 d [m] 0,003 d [m] 0,0063 V [m 3 ] 3,93E-06 Line to evaporator inlet 0,4 L [m] 0,13 L [m] 0,2 Suction line to compressor Charge [g] 0,0 Total in expansion valve 0,8 Condenser channels p sat [Pa] 3971 p sat [Pa] 7390 d [m] 0,011 Evaporator inlet port 0,2 Charge [g] 49,6 T sat ( p sat ) [ C] 0,13 T sat ( p sat ) [ C] 0,49 L [m] 0,5 Pressure security valve Evaporator channels 26,79 Charge [g] 0,4 Charge [g] 0,4 p sat [Pa] 872 d [m] 0,02 Evaporator outlet port 0,1 Condenser outlet port T sat ( p sat ) [ C] 0,06 L [m] 0 Total in evaporator 27,2 d [m] 0,006 Suchex liquid inlet manifold PentaProp Evaporator Charge [g] 0,5 V [m 3 ] 0,00E+00 Suction line. Evap to suc hex 0,57 L [m] 0,054 Charge [g] 0,49 Number of plates 30 Charge [g] 0 Suc./liq hex: vapor side 0,7 p sat [Pa] 60 Compressor p2 side Suction line to compressor 0,5 T sat ( p sat ) [ C] 0,00 Suchex liquid hex channels Evaporator inlet port Charge [g] 4,02 Closing solenoid valve Total in vapor suction lines 1,8 Charge [g] 0,72 Charge [g] 2,62 d [m] 0,013 d [m] 0,00465 Compressor p2 side 4,0 L [m] 0,032 Compressor oil L [m] 0 Disolved in compressor oil 1,3 Liquid line. Cond to filter/dryer Suchex liquid outlet manifold p sat [Pa] 37 Charge [g] 1,27 p sat [Pa] 0 T sat ( p sat ) Compressor p1-side 6,7 d [m] 0,00465 Charge [g] 0,49 T sat ( p sat ) [ C] 0,00 [ C] 0,00 Total in compressor 12,0 L [m] 0 Charge [g] 0,2 Compressor p1 side Charge [g] 0,0 Service valve and connection 0,0 p sat [Pa] 0 Liquid line. To expansion valve Charge [g] 6,68 p1-pressure meter 0,1 T sat ( p sat ) [ C] 0,000 d [m] 0,003 Evaporator channels p2-pressure meter 0,0 Charge [g] 0,0 L [m] 0,2 Charge [g] 26,8 Pressure security valve 0,0 p sat [Pa] 6109 Closing valves 0,0 Filter/Dryer T sat ( p sat ) [ C] 0,19 Evaporator outlet port Total in accessories 0,2 d [m] 0,0143 Charge [g] 0,7 d [m] 0,013 L [m] 0,075 L [m] 0,032 Fraction free volume 0,5 p sat [Pa] 8 V [m 3 ] 6,02E-06 T sat ( p sat ) [ C] 0,00 Charge [g] 2,8 Charge [g] 0,13 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 16
60 50 40 Köldmediefördelning - 10 kw Beräknad fördelning PentaProp 100g Tänkt system 148g 30 gram 20 10 0 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 17
Systemets Egenskaper η COP1,Carnot 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 Carnot efficiency COP1 Verkningsgrad T 1sat =40 C T 2sat =0,6-4 C 0 2 4 6 8 Överhettning [K] 5,5 5,4 5,3 5,2 5,1 5,0 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 COP 1 η is 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 Compressor Isentropic Efficiency 2,6 2,7 2,8 2,9 Pressure ratio p 1 /p 2 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 18
En kul detalj Nog så viktig Underkylning [K] 6 5 4 3 2 1 0 Köldmediefördelning 0 2 4 6 8 Överhettning [K] UA 1 [W/K] 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Uppbackning i kondensorn 0 2 4 6 Underkylning [K] 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 19
95 gram Propan 10kW rpm 2520 4275 5535 2520 1035 675 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 20
Coaxial kollektor Standard U-collektor Coaxial collektor Insulation Energy storage 2m 3 water (10 dm 3 /m) 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 21
U-kollektor COP 1 = X T 2 =2,4 C Kollektor + Prestanda + Etanol brännbart - Frostrisk - Sugande pump Koaxial COP 1 ~ 1,04 X T 2 =3,7 C 7,5 C 5,4 C 8,8 C 6,7 C Allt annat lika 9 C Halverat termiskt borrhålsmotstånd 2m 3 rent vatten 200 m 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 22
Koaxial kollektor - Karakteristik Model indata Flow: 1,67 m 3 /h Rock: 9 C (constant along depth) T in : 6,7 C Measured 6,7 8,8 C at 1,67 m 3 /h Total capacity: 4,1 kw 9,0 Temperature distribution Centre 60 Heat from rock 8,5 Annulus 50 8,0 40 Temperature [ C] 7,5 7,0 6,5 Heat [W/m] 30 20 10 6,0 0 50 100 150 200 Depth [m] 0 0 50 100 150 200 Depth [m] 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 23
Vision 1 gram 70 60 50 40 30 20 10 0 För brått i Vladivostok? 15-? kw Tänkt system 150g 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 24
Vision 2 Nästa Projekt PentaProp 2 4kW kyla <150g R290 Solceller Lågprisel nattetid DC källa to DC last Vind Uttjänta elbilsbatterier får ett andra liv PentaProp 1 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 25
Problem med PAG-olja Hygroskopisk- Suger åt sig vatten Stor torkare Lång tid för vakuumpumpning Noggrann hantering Löser R290 dåligt Oljeretur Värmeövergång Viskositet - Smörjning Ref: www.fuchs-schmierstoffe.com 60 Propane in oil [g] 50 40 30 20 10 0 T 2 =5 C / 5,5 bar 1100g PAG oil 150g PAG oil 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Oil temperature[ C] 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 26
OLJA Mäta mättnadstemperatur EMKARATE RL 22H POE- Esterolja med propan Ref: CTI 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 27
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 28
Benling Denso King Leo TKT Panasonic Bitzer 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 29
Typ 1-2015 Fyllnadsmängd Förångare: 28g Kondensor: 96g Korrosion 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 30
Pressing tool Experimental plates Soldering test Pressure strength Models 2-phase side CFD water side Port design Granryd /Airec - 2017? <0,3 liter/m 2 δ < 1mm 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 31
Modell - Eric Granryd 45 40 35 Charge Length Condenser 0,30 0,25 60 50 Charge Length Evaporator 0,30 0,28 0,26 Charge [g] 30 25 20 15 0,20 0,15 0,10 Hex. length [m] Charge [g] 40 30 20 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16 Hex. length [m] 10 5 0 0,00 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 Plate distance [mm] Q 1 =5kW T 1,sat =40 C T r,in =80 C T r,out =38 C m water =0,2kg/s T w,in =33 C T w,out =39 C 0,05 10 0 0,10 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 Plate distance [mm] Q 2 =4kW T 2,sat =2 C T r,out =4 C m water =0,47kg/s T w,in =6 C T w,out =4 C 0,14 0,12 Channels only 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 32
Gamla Värmeväxlare Fernando, Granryd, Palm mfl. (Doktorsavhandling 2007) Aluminium Typ 1 Aluminium Typ 2 Original tube Tube after pressing 0,3mm Pressed tubes stacked 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 33
Difference: Static vs. Real compressor running -Stirring -Foaming Ref: LGWP & HC refrigerant solubility tests performed in running scroll compressor, Pierre GINIES *, Guillaume REBIÈRE; Julie MANDON ; Jean Guillaume CHEURLIN, 23rd International Compressor Engineering Conference at Purdue, July 11-14, 2016 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 34
9,0 Depth = 10m Radius [m] 0,06 0,26 9,0 Depth = 175 m Radius [m] 0,06 0,26 Temperature [ C] 8,5 8,0 7,5 7,0 0,66 2,15 Temperature [ C] 8,5 8,0 7,5 7,0 0,66 2,15 6,5 6,5 6,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Time [days] 6,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Time [days] 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 35
9,0 8,5 Depth = 10 m Radius [m] 0,06 0,26 0,66 2,15 9,0 8,5 Depth = 175 m Radius [m] 0,06 0,26 0,66 2,15 Temperature [ C] 8,0 7,5 7,0 6,5 Temperature [ C] 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 0 10 20 30 40 6,0 0 10 20 30 40 Time [days] Time [days] 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 36
9,0 8,5 8,0 Temperatures after 30 days Centre Annulus Rock r=6 cm Temperature [ C] 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 0 50 100 150 200 Depth [m] Total capacity: 4,1 kw 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 37
Testrigg version 0 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 38
Suction hex. Filter/Dryer Sight tube 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 39
Testrigg 5kW 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 40
Charge < 150 gram 0,22 / 0,46 kg/s 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 41
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 42
Saftey EN 378 Requirement for maximum charge as a function of volume and location < 150 g No requirements EN 60335-2-40:2013 Household and similar electrical appliances - Safety - Part 2-40: Particular requirements for electrical heat pumps, air-conditioners and dehumidifiers Risk analysis, Leak simulation ISO 817/Ashrae 34 Propane (R290) 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 43
Traditionellt fiskbensmönster - Danfoss Micro Plate Dimplar Förlorad yta Fiskben δ ~ 1mm δ ~ 2mm ~ 0,5 liter/m 2 ~ 0,9 liter/m 2 Förångare: Annulärt flöde? Vattensidan: Igensättning? Vätska Gas Vätska Fyllnadsmängd Förångare ~ 70g Kondensor ~ 120g Kondensor: Vätskepool 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 44
Rektangulära aluminiumrör P. Fernando, E. Granryd, B. Palm mfl. Kanal 1x2,6mm Original tube Förångare ~ 28g R290 Kondensor ~ 96g R290 Korrosion Svår att tillverka Tube after pressing 0,3mm Pressed tubes stacked 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 45
Suction gas/liquid line heat exchanger η hex - Performance test set up 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 46
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 47
Genomförande Klart hösten 2017 Budget 1,89 miljoner Varav 50% från Energimyndigheten Resultat Nya värmeväxlare i en fungerande värmepump (Presentationer, artiklar, rapport) 2016 2017 Nya värmeväxlare Testrigg Allt på plats i testrigg Test 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 48
Industrialisering - Modul plug and play Ingen hantering eller service på fältet Coolant Tap water Radiators Large scale manufactuing in? - Eastern Europé - East Asia - Latin America - Scandinavia Power supply Data 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 49
Suction gas/liquid line heat exchanger Gas side: 6 parallell channels 8x2mm 0,4g T( p): 0,15 C Liquid side 2 parallell channels 4x1mm 1,6g T( p): 0,5 C Length: 400mm Temperature effectiveness app. 0,4 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 50
Bakgrund Tidigare projekt - Förångare och kondensor av extruderade aluminiumrör 1 Liten fyllnadsmängd men korrosionsproblem - Koaxial kollektor 2 Komponenter/Byggsätt 1. Primal Fernando - Kompressor elfordon 2. Jose Acuna - Nya värmeväxlare med mindre volym - Vitvaruindustrin Miljö-Lagstiftning - F-gasförordning: Dagens köldmedier med hög växthuseffekt ska fasas ut enligt EU-direktiv - Skydd av grundvattentäkter (svårt tex. i Tyskland) Säkerhet -Bra, billiga, naturliga köldmedier brandfarliga. Propan, Isobutan, NH 3, mfl. -EN 378 Säkerhetsstandard < 150 gram -IEC 60335-2-40 (riskanalys, simulering av läcka) Industrialisering - Hantverk och många aktörer => Massproduktion och konsolidering (som vitvaror/ac) - Kostnad! 2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 51