Udvikling af Low Cost CO2 Køle anlæg

Rolf Harbøll Juni 2013.

Aarhus maskinmesterskole

Forfatter: Rolf Harbøll

Studienummer: F10170

Titel: Udvikling af Low Cost CO2 køleanlæg

Projekttype: Bachelorprojekt

Fagområde: Køleteknik

Uddannelsesinstitution: Aarhus maskinmesterskole

Vejleder: Jesper Nielsen

Afleveringsdato: 4 Juni 2013

Antal normalsider af 2400 tegn: 33,4

Forside illustration: Foto af Rolf Harbøll 2013

IndholdAbstract............................................................................................................................1

1 Indledning.....................................................................................................................3

2 Problemformulering......................................................................................................4

2.1 Afgrænsning...........................................................................................................5

2.2 Metode...................................................................................................................5

3 Teknisk gennemgang af compSUPER.........................................................................7

3.1Gennemgang af compSUPER XS..........................................................................7

3.1.1 Muffler.............................................................................................................7

3.1.2 Varmegenindvinding........................................................................................7

3.1.3 Gaskøler..........................................................................................................7

3.1.4 Højtryksventil...................................................................................................8

3.1.5 AC....................................................................................................................9

3.1.6 Receiver..........................................................................................................9

3.1.7 Coil................................................................................................................10

3.1.8 Fordampere...................................................................................................12

3.1.9 Gas bypass ventil..........................................................................................12

3.1.10 Oliebeholder................................................................................................12

3.1.11 Sugemanifold..............................................................................................13

3.1.12 Lavtrykskompressorer (frost).......................................................................13

3.1.13 Oliestyring...................................................................................................13

3.1.14 Mellemtrykskompressor (køl)......................................................................14

4 Opbygning af Low Cost model...................................................................................15

4.1 Ydre opbygning....................................................................................................15

4.2 Systemopbygning................................................................................................16

4.2.1 Fælles for de 4 variationer.............................................................................16

4.2.2 Variant 1........................................................................................................18

4.2.3 Variant 2........................................................................................................20

4.2.4 Variant 3........................................................................................................22

4.2.5 Variant 4........................................................................................................24

4.3 Beslutning............................................................................................................25

4.4 Systemopbygning for prototype...........................................................................26

4.4.1 Systemopbygning..........................................................................................26

4.4.2 Varmegenindvinding......................................................................................26

4.4.3 Gaskøler........................................................................................................26

4.4.4 AC.................................................................................................................27

4.4.5 Højtryksventil.................................................................................................27

4.4.6 Receiver........................................................................................................27

4.4.7 MT og LT fordampere....................................................................................28

4.4.8 Gas bypass ventil..........................................................................................28

4.4.9 Sugemanifold................................................................................................28

4.4.10 Oliestyring...................................................................................................29

4.4.11 Kompressorer..............................................................................................34

4.4.12 Mellemtrykskompressor..............................................................................34

4.4.13 Lavtrykskompressor....................................................................................34

4.5 Rør og flow...........................................................................................................35

4.5.1 Dimensionering af rør....................................................................................35

5 Prototype....................................................................................................................39

6 Prototype forsøg.........................................................................................................40

6.1 Oliesystem...........................................................................................................40

6.1.1 Emerson ventiler og ekstern styring..............................................................40

6.2 Controller.............................................................................................................41

6.2.1 Beregning af ny ventil....................................................................................43

6.3 AC........................................................................................................................44

6.4 Kompressor med integreret frekvensstyring........................................................44

6.4.1 MT kompressor med frekvensstyring............................................................44

6.4.2 Frostkompressor med frekvensstyring..........................................................44

6.5 Rør.......................................................................................................................44

6.6 Støj.......................................................................................................................45

6.7 Økonomi...............................................................................................................46

7 Økonomi.....................................................................................................................48

7.1 Produktionsomkostninger....................................................................................48

7.1.1 Kompressorer................................................................................................48

7.1.2 Eltavle............................................................................................................49

7.1.3 Sikkerhedsventiler.........................................................................................51

7.1.4 Afspærringsventiler.......................................................................................52

7.1.5 Analoge manometre......................................................................................52

7.1.6 Oliestyring.....................................................................................................53

7.1.7 Rør, ramme og bundplade............................................................................54

7.1.8 Arbejdstid......................................................................................................54

7.1.9 Produktionsbesparelser ved Low Cost anlæg...............................................55

7.2 Driftsomkostninger...............................................................................................55

8 Konklusion..................................................................................................................56

9 Litteraturliste...............................................................................................................58

AbstractThis report covers the development of a prototype CO2 condensing unit which is to replace an existing unit for certain applications as a Low Cost option with a significantly lower production cost per unit.

The report has its focus on achieving the reduction of production cost by utilizing a new and stronger K65 type of copper tubes to replace the steel tubes currently used for piping. Also a simpler mechanical design, where the current frame design, is replaced by a single plate, for mounting all of the systems components will be utilized.

To give an understanding of the problem existing compSUPER unit, which the new Low Cost unit is supposed to replace, is reviewed. The review gives a description of the function of the principal components of the unit.

4 different variations of functional designs for the new unit are presented and compared to find the best design for the prototype.

The decision on design of the prototype is made and evaluated for both the outer design and the functional design. The dimensioning of the prototype and its piping are made.

The system design of the prototype is compared to the current design and differences are reviewed.

Special attention is given to a new type of oil management system OM4 from Emerson and it is discussed if it has the capacity needed for the Low Cost unit.

The prototype built is tested and results are reviewed with special attention to new design solutions and components.

The tests show that the new Emerson OM4 oil management system works as it is supposed to.

A test with the AC evaporator engaged showed a problem with the gas bypass valve which was constantly at a setting of 100 % open because its flow rate was too small to allow the necessary flow of gas. Calculation on the demanded flow rate for a new valve has been made.

A problem discovered during testing is that the noise level of the prototypes is too high. It has been measured, and the dampening feet of the compressors has been changed to softer types to lower the noise level. Renewed measurements have revealed that this does not remove the problem.

1

The conclusion on the noise problem is that the idea of mounting the components on a single metal plate is at fault. The plate vibrates like a tuning fork which amplifies the compressor noise.

The economy of the prototype is compared to the current unit, which it is supposed to replace. The overall savings in production costs of the new unit is calculated as well as are costs and savings of grouped component to achieve an understanding of where the majority of the saving in production costs can be achieved and if some changes actually increase costs.

The economical findings of the report, reveal that there is a major reduction in production costs of 29.3 % equaling 41512 DKK.

As expected the largest reduction in cost is achieved by the utilization of the New and stronger K65 type copper tubes as well as the method of mounting all component on a simple plate instead of a more complicated welded frame.

2

1 IndledningDenne rapport omhandler udviklingen af en prototype til et nyt CO2 køleanlæg for virksomheden ADVANSOR. Målsætningen er at opnå et produkt, der er væsentligt billigere at producere, men som i forhold til en række anvendelsesmuligheder svarer til virksomhedens eksisterende compSUPER køleanlæg.

ADVANSOR er et firma der producerer CO2 køleanlæg og varmepumper. Firmaet er stiftet i 2006 af to civilingeniører fra teknologisk institut, hvor de havde arbejdet med udvikling og demonstration af CO2 køleanlæg og varmepumper. I 2011 blev firmaet solgt til Hillphoenix, der er en stor producent af køleanlæg, som ved købet af ADVANSOR har skaffet sig knowhow omkring CO2 køleanlæg. De to stiftende ingeniører leder stadig virksomheden. Salget til Hillphoenix har betydet, at anlæggene nu også sælges i USA og Canada. De fleste af anlæggene, der bliver produceret, eksporteres til andre EU lande og Norge, der lige som Danmark har restriktioner på brug af drivhusgasser.

Hovedparten af produktionen er køleanlæg til supermarkeder og discountbutikker.

Denne rapport er skrevet ud fra et praktikforløb i udviklingsafdelingen omkring udviklingen af et nyt anlæg til mindre supermarkeder og discountbutikker.

Udviklingsafdelingen består af 3 medarbejdere. To civilingeniører, hvoraf den ene er en af stifterne af firmaet og en køleingeniør, der samtidig tager sig af reklamationer.

Ved udvikling af nye anlæg ligger den termodynamiske del af udviklingen i ovennævnte udviklingsafdeling. El og automation ligger i elafdelingen og mekanisk design vil normalt ligge i tegnestuen, men ved dette projekt har tegnestuen, på grund af travlhed, dog ikke kunnet bidrage til den mekaniske opbygning, hvorfor det har været op til udviklingsafdelingen at gøre det ”manuelt”.

3

2 ProblemformuleringADVANSOR´s største markedsområde er køleanlæg til discount butikker og mindre supermarkeder. Markedet for køleanlæg er præget af en høj priselasticitet og det er derfor afgørende for ADVANSOR’s fortsatte succes, at produktionsomkostningerne minimeres. Samtidig vil en reducering af prisgabet imellem konventionelle F-gas anlæg og ADVANSORS CO2 anlæg gøre det nemmere at afsætte ADVANSORS produkt på markeder, hvor F-gas anlæg stadig er tilladt.

ADVANSOR har et køleanlæg kaldet compSUPER der er et 2 trins CO2 køle anlæg til køl og frost, med en kapacitet på 10-50 kW køl og 5-15 kW frost1 . Anlægget leveres også uden frost og med optioner som varmegenindvinding og aircondition.

ADVANSOR ønsker at kunne levere en Low Cost model der kan erstatte compSUPER i de fleste applikationer. Der skal dog ikke være den samme fleksibilitet som i compSUPER, da det er meningen, at der skal produceres ens anlæg for på denne måde at kunne holde omkostningerne nede og have mulighed for at producere til lager. Low Cost modellen skal dermed ikke erstatte compSUPER i alle applikationer.

Baggrunden for at ledelsen mener at der er et potentiale for lavere produktionsomkostninger er, at udviklingen har gjort det muligt at anvende kobberrør i CO2 anlæg, i stedet for stålrør som på compSUPER. Det er derfor en præmis for anlægget, at det er opbygget med kobberrør. En anden præmis for anlægget er, at der skal anvendes en billigere styring fra CAREL i stedet for den Danfoss styring, der anvendes på compSUPER.

Anlægget vil blive udlagt til at kunne levere 40 kW køl og 10 kW frost. Da nogle kunder forlanger, at anlægget skal kunne levere aircondition og/eller varme, skal dette også være en mulighed.

Det er meningen, at anlægget skal kunne leveres i kabinet til udendørs opstilling, sammenbygget med kondensator, dog med mulighed for separat kondensator, hvilket kan være nødvendigt pga. støj.

Hovedproblemstillingen er, at konstruere et Low Cost anlæg, der giver en væsentlig reduktion af produktionsomkostningerne i forhold til et tilsvarende compSUPER køleanlæg.

For at kunne besvare ovenstående hovedproblemstilling, vil følgende delproblemstillinger blive gennemgået.1 http://www.advansor.dk/produkter/compsuper/

4

Opbygning/udseende Systemopbygning Dimensionering Evaluering af prototype Økonomi

2.1 AfgrænsningDer arbejdes i rapporten kun med den termodynamiske del af anlægget, da el og automation hører under en anden afdeling i firmaet. Denne afdeling har udviklet el og styring som et sideløbene projekt.

Der arbejdes ikke med en specifik anvendelsesmulighed, men ud fra et effektkrav på 40 kW og 10 kW frost eller 20 kW køl, 20 kW aircondition og 10 kW frost.

Enkelte priser for komponenter er estimerede da endnu ikke forhandlede.

Priser i rapporten begrænses til et overordnet niveau og der findes heller ikke detaljerede prislister eller udskrifter fra C5 for enkeltkomponenter i bilag. Dette er et bevidst valg for ikke at offentliggøre ADVANSORS indkøbspriser i detaljer. Detaljerede indkøbspriser og styklister har dog været til rådighed, for udarbejdelsen af rapporten.

2.2 MetodeCO2 køleanlæg i den udformning, der bruges i de anlæg ADVANSOR producerer, er udviklet ved ADVANSOR. Derfor er vidensindsamling, omkring disse køleanlæg i denne rapport i høj grad baseret på samtaler med medarbejdere i udviklingsafdelingen. Følgende medarbejderes udsagn ligger til grund for denne viden.

Kim G. Christensen, som er uddannet civilingeniør, medstifter af firmaet og teknisk direktør.

Lars Rasmussen, som er uddannet civilingeniør og leder udviklings afdelingen .

Kristian Sørensen, som er køleingeniør og service leder med stor praktisk erfaring som kølemontør.

Peter Sørup Madsen, som er elektrisk projekt ingeniør.

5

Rapporten tager afsæt, i det eksisterende compSUPER anlæg. For at give et sammenligningsgrundlag, i forhold til Low Cost anlægget, leveres en teknisk gennemgang af compSUPER anlægget.

Den overordnede funktion af anlægget skal optimeres i forhold til produktionsomkostninger og driftsøkonomi. Hovedvægten lægges på produktionsomkostninger. For at optimere anlægget gennemgås forskellige variationer af anlægget teoretisk. Der evalueres med hensyn til funktion og økonomi.

ADVANSOR’s ledelse vælger ud fra evalueringen af forskellige variationsmuligheder for anlægget, den variation som vurderes til bedst, at opfylde virksomhedens behov. Ud fra dette valg dimensioneres og opbygges en prototype.

Ud fra test med prototypen vurderes det, om den valgte opbygning lever op til forventningerne.

Desuden vurderes, om succeskriteriet med en væsentlig reduktion af produktionsomkostningerne i forhold til et tilsvarende compSUPER XS anlæg, er opnået.

6

3 Teknisk gennemgang af compSUPERUdgangspunktet for Low Cost anlægget er et eksisterende compSUPER. Dette er et CO2 køleanlæg med to køletrin, køl og frost. Fordi dette anlæg er udgangspunktet for projektet, vil efterfølgende gennemgang af dette anlæg skabe basis for projektet med at skabe en Low Cost model. På (bilag1) er der et PI diagram over et compSUPER anlæg, der kan give overblik over positionering af de forskellige komponenter.

3.1Gennemgang af compSUPER XS

3.1.1 MufflerDet har vist sig, at der forplantes støj fra kompressorerne til gaskøleren. Da gaskøleren står udenfor maskinrummet kan dette være et problem i forhold til omgivelserne med hensyn til støj. Derfor har det været nødvendigt at indsætte en muffler på afgangsrøret fra kølekompressorernes højtryksmanifold.

Muffleren består af et rør, hvor der er bafleplader inden i. Dette skal forhindre de trykpulsationer, der skaber støj ved gaskøleren.

Der er et projekt med mufleren i ADVANSOR, der kører separat fra dette projekt. Muffler projektet tager udgangspunkt i et anlæg, hvor der er konstateret problemer med støj ved kondensatoren. Her foretages udvikling omkring mufleren. Dermed er muflerens støjdæmpning ikke central for denne rapport og vil ikke blive behandlet yderligere.

3.1.2 VarmegenindvindingPå højtryksrøret før gaskøleren kan der være indskudt en gas/vand pladevarmeveksler. Her vil varmeveksleren virke som en ekstra gaskøler i serie med den normale gaskøler. Dette er en option der kan til/fra vælges.

3.1.3 GaskølerI gaskøleren, der ved konventionelle HFC anlæg kaldes en kondensator, nedkøles og kondenseres CO2 isobart, når anlægget ikke kører transkritisk. Ved cirka 31 grader vil CO2 altid være på gasform. Dette er den kritiske temperatur, så hvis udetemperaturen bliver for høj til, at gaskøleren kan sænke temperaturen til under 31 grader, vil anlægget skulle køre transkritisk. Et anlæg som ADVANSORS compSUPER vil typisk have en gaskøler, der er udlagt til at kunne køle ned til 5 grader over omgivelsestemperaturen ved fuld belastning.

7

Det vil sige at gaskøleren virker som kondensator, indtil omgivelsestemperaturen når op på 26 grader.

3.1.4 HøjtryksventilI modsætning til konventionelle køle anlæg, der arbejder subkritisk, skal et CO2 anlæg kunne arbejde transkritisk, hvor CO2 uafhængigt af trykket er på gasform, når den kritiske temperatur på 31 grader overskrides. Når et CO2 anlæg arbejder transkritisk, giver det umiddelbart en meget dårlig COP, som det er illustreret via programmet ”simple one stage plant version 2,30” på nedenstående logph diagram.

Figur 1 Kilde: Udklip fra beregning i programmet Simple one stage plant version 2,30

COP bliver her på 1,1.

8

Transkritisk drift kræver en anden styring, end det konventionelle HFC anlæg for, at opnå en økonomisk drift. Her er det nødvendigt, at styre trykket på gaskøleren. Som det er illustreret via programmet ”simple one stage plant version 2,30” på nedenstående logph diagram.

Figur 2 Kilde: Udklip fra beregning i programmet Simple one stage plant version 2,30

Her bliver COP 2,09 altså en væsentlig forbedring af COP ved at hæve trykket over gaskøleren.

Trykket styres via højtryksventilen, der styres via input for temperatur og tryk efter gaskøleren. Herved er det, som illustreret ovenfor muligt, at opnå en væsentlig forbedring af COP, ved høje udetemperaturer.

3.1.5 ACHvis compSUPER er udstyret med AC, foregår det via en fordamper, der er indskudt efter højtryksventilen. Herved opnås en fordampnings temperatur på 3,3 grader ved 38 bar, styret af receivertrykket. Dette muliggør brug af vand, som medie til transport af kulde ydelse, til kundens ventilationssystem, hvor en temperatur over frysepunktet samtidigt sikrer, at der ikke dannes is på kølefladen.

3.1.6 ReceiverI receiveren adskilles væske og gas. Væsken samler sig i bunden således, at der kan ledes væske til fordamperne via udtag i bunden af receiveren, da der ikke ville være god økonomi i at transportere gas ud til de enkelte fordampere,

9

fordi der så skulle bruges større rørdiametre og fordampere. Gassen samler sig i toppen af receiveren, gassen kommer fra drøvling ved højtryksventilen og fordampning i eventuel AC fordamper. Derudover kan en del CO2 fordampes af varmeindtrængning fra omgivelser, der fordamper væske i receiveren. Dette gør at gastrykket i receiveren kan stige ved stilstand, hvor der ikke fjernes gas fra receiveren. Dette kan ved længere tids stilstand resultere i så højt tryk, at sikkerhedsventilen aktiveres. Receiveren er isoleret for at minimere dette problem. Trykket i receiveren holdes af gasbypassventilen, som styres af receivertrykket og kan reducere dette ved at lede gas ud af receiveren til MT kompressorernes sugeside. Udtaget til gasbypass sidder højt i beholderen således, at der kun kommer gas med ud.

3.1.7 CoilNår den fordampede CO2 kommer retur fra kundens LT fordampere, ledes den igennem en coil i receiveren. Da denne retur CO2 har en lavere temperatur end den, der er i receiveren (under dugpunktet), vil en del af den CO2, der er på gasform i receiveren kondensere. Derved genindvindes energi.

Kondensering i receiver via coil.Data fra logPH

Tabel 1 Kilde: Aflæsninger af enthalpi ud fra tryk og temperatur fra beregning i V8 COMPSUPER DS VGV 8g1.ESS

Aflæsninger fra logPH digram i ESS refrigiation utilitieslokation Entalpi kJ/kg Tryk i bar m3/kg Temperatur celsius gr TørhedsgradEfter AC 446 38 13.3 Tør dampEfter højtryksventil 304 38 3.3Coil ind 445 -24Coil ud 462 6.8Receiver væske 208 38 3.3 væskeReceiver gas 429 38 3.3 tør mættet damp

Massen af CO2 mLT, der fordampes i LT fordamperen ved 10 kW ydelse, er fundet til 0,0042 kg/s ved beregning i programmet ” V8 COMPSUPER DS VGV 8g1.EES”

Nedenstående beregning finder kondenserings effekten, coilen afleverer i receiveren.

∆ hCoil=hCoil ud−hCoilind=462−445=17 kJ /kg

10

Pkondensering=m¿ ∙∆ h=0,0042 ∙17=0,714 kJs

=714W

Der opnås en opvarmning af sugegassen til LT kompressoren samt genindvinding af energi Pkondensering

På denne måde genindvindes 714W, som kan afsættes i kundens fordampere. En større coil vil kunne øge kondenseringen, da temperaturdifferensen på coil ud og receiver (se nedenstående beregning).

∆T=t receiver−t sug=3,3−−6,8=10,1℃

giver potentiale for øget kondensering. Da mLT er mindre, når anlægget ikke kører fuld last, er temperaturdifferencen mindre under normal drift, hvorfor potentialet for yderligere kondensering ikke er så stort, som det umiddelbart kunne se ud.

En anden funktion for coilen er at sikre den ønskede overhedning og sikring mod væskeslag i forhold til LT kompressoren. Erfaringen fra anlæg ADVANSOR har i drift viser, at der ikke har været episoder med væskeslag på anlæg med indbygget coil i receiver.(Kim G. Christensen, 2013)

For at finde betydningen af den kondensering, der foregår via coil i receiveren, kan det udregnes hvor meget CO2, der kondenseres i receiveren i forhold til det flow, der er igennem LT fordamperen.

∆ hkondensering coil=hreceiver gas−hreceivervæske=529−208=221 kJ /kg

mkondensat coil=Pkondensering

∆hkondensering coil=0,714221

=0,00323 kg /s

Det svarer til en kondensering af LT flow på

Kondensering i procent af <flow=100 ∙ mkondensat coil

m¿=100 ∙0,00323

0,0042=7,69%

Bypassgas bliver reduceret med mkondensat coil=0,003 kg /s

Da denne måde at kondensere i receiveren via af en coil på LT sug giver en fordel med hensyn til energiforbruget og da det er et ADVANSOR patent, vil det være en fordel at benytte.

3.1.8 FordampereI bunden af receiveren samles CO2 på væskeform, der flyder videre til kundens fordampere, der kan styres med termostatiske ekspansionsventiler. På

11

retursiden af fordamperne opretholdes det rette sugetryk for kølefordampere af MT kompressorerne og for frost fordampere af LT kompressoren. Fordamperne til køl og frost er ikke en komponent, som ADVANSOR leverer eller producerer og vil derfor ikke blive behandlet yderligere i rapporten.

3.1.9 Gas bypass ventilGassen fjernes fra receiveren via en gas bypass drøvleventil, der holder et tryk i receiveren på 38 bar, svarende til 3,3 grader. Når ventilen lader gas passere, falder trykket i receiveren, men da der er CO2 på væskeform i bunden af receiveren, vil en del af denne fordampe, hvilket kompenserer for trykfaldet, men skaber et temperaturfald, derved opnås en balance i receiveren.

Drøvlingen over gasbypassventilen, vil sænke temperaturen og kondensere en del af CO2’en. Derfor blandes bypass CO2’en op med returgas fra kølefordampere og varm CO2 gas fra frysekompressorens højtryksside for at fordampe bypass CO2´en. Denne blandede gasmængde sendes derefter til oliebeholderen.

3.1.10 OliebeholderOliebeholderen, der er indbygget i receiveren, tilføres gas fra kølefordampere, lavtrykskompressor og gasbypass. I oliebeholderen nedsættes hastigheden på gassen betragteligt på grund af det store volumen i forhold til rørene. Herved kan oliedråber i gassen nå at udskilles og vil falde ned i bunden af beholderen. Det samme vil ske, hvis der skulle være eventuel CO2 på væskeform tilstede. CO2 på væskeform vil koge bort, da beholderens omgivelses temperatur inde i receiveren på 3,3 grader er langt over fordampningstemperaturen på -10 grader ved de 26,5 bar, der er inde i oliebeholderen. Herved hjælper oliebeholderen til med at sikre MT kompressorerne imod væskeslag. Gasafgangen er i toppen af oliebeholderen for at minimere den mængde olie, der kommer videre.

Oliebeholderen har et udtag i bunden til kompressorenes olie system og fungerer som olie reservoir for dette.

Det har ifølge Kim G. Christensen erfaringsmæssigt vist sig, at anlæg med oliebeholder inde i receiveren ikke har problemer med væskeslag, på MT kompressorerne. Da det samtidigt er et ADVANSOR patent, vil det være en fordel at benytte sig af denne type oliebeholder på Low Cost modellen.

3.1.11 SugemanifoldKompressorer suger fra skråt skårne rør i sugmanifold. Grunden til, at der ikke bare kan suges fra toppen af manifolden er, at der ved en oliefyldning i manifolden så pludselig kan suges en stor mængde olie med ind i kompressoren, hvorved kompressoren kan overfyldes og derved havarere.

12

3.1.12 Lavtrykskompressorer (frost)Lavtrykkompressoren skal opretholde sugetrykket til frost fordampere, hvilket typisk for compSUPER er et tryk på 13,3 bar svarende til -32 grader. Kompressoren styres af en pressostat. Der er ikke frekvensregulering og sugetrykket vil derfor variere med 2 grader til hver side af setpunkt. Der vil normalt være to lavtrykskompressorer af forskellig størrelse hvilket giver tre forskellige effekttrin.

3.1.13 OliestyringI hver kompressor sidder der en olieniveauswitch, som giver signal til køleanlæggets kontrolenhed, der åbner en magnetventil, så olie kan løbe til den pågældende kompressor, hvis olieniveauet er for lavt.

Figur 3 Olieniveau switche fra HB Products kilde:http://www.hbproducts.dk/en/products-links/hboc-oil-management

Olie niveau switchende virker ved, at mellemrummet mellem en stav inde i et rør fyldes mere eller mindre med olie, der virker som dielektrikum imellem stav og rør. Herved opnås en kondensator effekt, hvor der gives signal til kontrolenheden, ud fra farad niveau.

For lavtryks kompressoren er det indlysende, at olie vil løbe til kompressoren, da den arbejder ved et væsentligt lavere sugetryk, end det tryk der er i oliebeholderen. Ved højtrykskompressorerne forholder det sig anderledes, da hovedparten af trykforskellen er den der fremkommer ved tryktab over rørstrækningen imellem oliebeholder og kompressor. Hvad der ikke kan ses ud af PI diagrammet for anlægget er, at oliebeholderen sidder i toppen af receiveren, som er en lodret stående beholder samtidigt med, at højtrykskompressorerne er monteret nederst i anlægget. Dette betyder, at der vil være et flow på grund af gravitation.

13

3.1.14 Mellemtrykskompressor (køl)Mellemtrykskompressorerne skal opretholde sugetryk til køle fordamperne, hvilket typisk for et compSUPER XS anlæg vil være 26.5 bar svarende til -10 grader. Den ene af kompressorerne er udstyret med en frekvensomformer for at give en bedre driftsøkonomi. Når den frekvensregulerede kompressor når sit maksimale omdrejningstal for at opretholde det korrekte sugetryk, indkobles den anden kompressor og omdrejningerne på den frekvensregulerede kompressor reguleres samtidigt til det minimale. Herved opnås en glidende regulering af sugetrykket.

14

4 Opbygning af Low Cost model4.1 Ydre opbygning.Den ydre opbygning fastlægges ud fra en ide om at kunne levere et kompakt anlæg til udendørs opstilling, med mulighed for indbygget gaskøler eller ekstern gaskøler, der kan være en fordel af hensyn til støj og placering af anlægget.

For at anlægget skal kunne levere den ønskede køleydelse, skal gaskøleren have en vis minimums størrelse. Kan systemopbygningen holdes inden for dette footprint, er anlæggets minimale footprint fundet. Da anlægget både skal kunne leveres med og uden gaskøler, kunne anlæggets dimensioner teoretisk set reduceres, men af produktions og lagermæssige grunde, ønskes variationer i produktet minimeret. Derfor vil systemopbygningen skulle være i den samme kasse, med eller uden gaskøler. Gaskøleren vil så blive monteret oven på denne kasse, når der skal leveres anlæg med indbygget gaskøler. Kassen kan ikke blive lavere end receiveren, der er den højeste komponent i systemet.

Det vil sige at kassens minimumsmål er bestemt af receiverens højde og gaskølerens footprint, såfremt dette footprint giver tilstrækkeligt plads, til samtlige komponenter.

Beregninger på gaskøleren er ikke noget, der bliver foretaget ved ADVANSOR, dette varetages af gaskøler producenten. Det gør producenten ud fra følgende oplysninger.

Typen (lodretskrå vandret eller indbygget i et kabinet): Vandret

Designtryk: på 120 bar

Omgivelsestemperatur (sættes til 32 grader for fuld transkritisk drift): 32

Acceptabelt støjniveau på: 45 dB

Samtidigt er der gjort opmærksom på, at der ønskes et minimeret footprint. Ud fra disse oplysninger er producenten kommet frem til en gaskøler. Den gaskøler producenten har valgt (bilag2) har et footprint på 1114*2360mm

Højden af receiveren er 1,1m. Derudover skal der være 500mm under gaskøleren for at sikre et fri luftstrøm til denne. Bundplade og fødder vil også give et tillæg til højden på ca. 100 mm.

Højden af anlægget uden gaskøler bliver dermed:

Højdeuden gaskøler=højde påreceiver+bund og fødder=1,1+0,1=1,2m

15

Højden af anlægget med gaskøler bliver:

Højde=Højdeudengaskøler+højde pågaskøler+afstand=1,2+1,08+0,5=2,78m

Nedenstående figur viser anlæg med og uden gaskøler

Figur 4 Kilde: Egen tilvirkning

4.2 SystemopbygningFor at optimere opbygningen af det nye anlæg med hensyn til produktions omkostninger og driftsøkonomi, undersøges 4 funktionsmæssigt forskellige varianter af et muligt anlæg.

1. Her svarer funktionen til det nuværende compSUPER anlæg2. Her ændres AC funktionen i forhold til variation 13. Her bruges parallel kompression.4. Her er der tale om et anlæg, der kan leveres med og uden

parallelkompression

4.2.1 Fælles for de 4 variationer

4.2.1.1 MaterialerDet nye anlæg skal bygges med kobberrør. Der er kommet en ny type kobberrør på markedet kaldet K65, disse rør er legeret med 2,4 % jern (bilag 3)hvilket gør at de kan klare højere tryk end normale kobberrør. K65 rør gør det muligt at anvende kobberrør på højtryksdelen, der skal kunne klare 120 bar. Tidligere var den maksimale rørdiameter ved tykvæggede almindelig kobberrør på 5/16”, hvis røret skulle kunne klare 120 bar, hvilket er en for lille diameter for

16

et anlæg, med den ønskede ydelse. Det er forventet, at det vil give en væsentlig besparelse at bruge kobberrør i forhold til compSUPER, der er bygget med stålrør. Kobberrør er nemme at forarbejde og samles ved lodning, som er væsentligt hurtigere end certifikatsvejsning af stålrør.

4.2.1.2 OliestyringDer skal så vidt muligt bruges en ny type oliestyring fra Emerson, hvor oliestyring, ventil og niveauføler er kombineret i en enhed. Prisen på denne enhed er væsentligt lavere end for de oliefølere og ventiler, der bruges på compSUPER XS.

Denne forandring af oliestyringen i forhold til compSUPER, der gør brug af køleanlæggets styring til styring af magnetventiler i forhold til anlæggets drifts forhold og signal fra kompressorernes olieniveau sensorer, vil være billigere, men giver ikke indblik i anlæggets olieregulering via internettet, som ellers er mulig ved opkobling med anlæggets kontrolenhed. Det at der bruges færre ind og udgange fra kontrolenheden gør, at der kan bruges en mindre og billigere kontrolenhed.

4.2.1.3 Komponenter For at opnå en besparelse skrælles anlægget for komponenter, der ikke er absolut nødvendige sammenlignet med compSUPER. I dette tilfælde drejer det sig om ventiler før tryk sensorer, ekstra sikkerhedsventil med trevejsventil på receiver samt udeladelse af analoge instrumenter, da temperaturer og tryk vil kunne aflæses i styringens display, og der samtidigt monteres ventiler i systemet med schraderventil tilføjet (billigt), der gør det muligt at bruge et løst manometer, hvis der skulle være tvivl om hvorvidt trykket, som styringens display, viser er korrekt.

4.2.1.4 RedundansAnlæggets MT kompressorer skal virke således, at anlægget stadig skal kunne køle, selvom den ene MT kompressor svigter. Det er dog ikke et krav, at der kan leveres fuld kapacitet på en MT kompressor. Denne redundans, giver en væsentlig forøgelse af konstruktions omkostninger til en ekstra kompressor, dens styring og rørføring. Kravet om denne redundans stilles af den forventede største kunde til dette anlæg og er derfor ikke til diskussion.

4.2.1.5 AC og varmegenindvindingDet nye anlægs AC og varmegenindvinding skal foregå ved direkte udtag af CO2 til kundens køle og hedeflader. Dette er en ændring i forhold til compSUPER, hvor dette klares med en varmeveksler med vand eller glykol, hvilket kræver mere plads i kabinettet og ekstra dele lagerført, begge ting giver ekstra produktions omkostninger også for anlæg, der ikke leveres med AC eller

17

varmegenindvinding. Derfor er det valgt kun at tilbyde CO2 udtag og ikke at tilbyde varmevekslere.

For de anlæg, der skal leveres med varmegenindvinding eller AC er det en fordel, hvis kunden kan bruge CO2 direkte i køle/hedefladen i sit ventilationsanlæg.

Mange kunder vil dog have et vandbaseret system. Her giver CO2 udtaget mulighed for at bruge rent vand uden glykol, selvom anlægget er opstillet udendørs, da varmeveksleren kan placeres indendørs.

Varmegenindvindingen er ens for de forskellige variationer af anlægget. Da det samtidigt på forhånd er valgt, ikke at implementere det i en eventuel prototype, vil det ikke blive behandlet yderligere i rapporten.

AC kapaciteten udlægges til 20 kW. Det vil sige, at anlægget skal kunne levere 20 kW AC, 20 kW køl og 10 kW frost.

Produktions omkostninger for de 4 varianter, vurderes kun ved overordnet sammenligning af om de er mere eller mindre komplicerede med flere komponenter end variant 1.

4.2.2 Variant 1.Denne variation har en opbygning der svarer til et compSUPER køleanlæg, i en skrabet udgave, når der ses bort fra varmegenindvinding og AC.

Der er et PI diagram for overblik på (bilag 4)

4.2.2.1 RedundansMT kompressorer virker således at anlægget stadig kan køle, selvom den ene MT kompressor svigter. Hvis den frekvensregulerede MT 1 kompressor svigter, vil MT 2 kompressoren fungere med start-stop regulering, hvilket vil sikre en reduceret kølekapacitet. Et svigt ved MT kompressoren uden frekvensregulering, vil blot reducere den maksimale kølekapacitet.

4.2.2.2 OliesystemOlien opsamles i receiverens integrerede oliebeholder, hvorfra den løber til Kompressorernes separate Emerson oliestyringer med integreret magnetventil og niveauføler.

4.2.2.3 ACAC virker ved at kundens AC fordamper sættes ind parallelt med højtryksventilen. Dette kræver et tilstrækkeligt differenstryk over højtryksventilen og dermed AC fordamperen for at denne skal fungere. Det forventes ikke at kunder vil efterspørge AC effekt før udetemperaturen overstiger 15 grader, da de ved lave temperaturer kan bruge udeluften til at sænke inde temperaturen.

18

Ved 15 grader udetemperatur og en temperatur efter gaskøler på 23 grader vil trykket før højtryksventilen være over 63 bar, hvilket vil give et differenstryk 25 bar i forhold til receivertrykket.

Enthalpi niveau aflæst fra udregning i programmet ”simple one stage plant version 2,30” (bilag5). Der er regnet med 10 graders overhedning ved AC fordamperen.

h før AC fordmaper=265,2kJ /kg

hefterAC fordamper=446,1 kJ /kg

∆ hAC=hefter AC fordamper−hfør AC fordmaper=446,1−265,2=180,9kJ /kg

Det nødvendige flow over AC fordamperen for 20 kW ydelse findes

ṁAC=PAC

∆ hAC= 20180,9

=0,111 kgs

Ud fra beregning af 20/10 kw ydelse på (bilag6) findes flow til MT og LT fordampere.

ṁMT=0,084 kg/ s

ṁ¿=0,042 kg/ s

Det samlede flow for 20/20/10 kW ydelse findes

ṁsamlet=0,084+0,042+0,111=0,237 kg/ s

Som det ses af (bilag7) er det samlede flow inden for hvad anlægget kan levere.

Hvis kunden skulle ønske et større differenstryk, er der i anlægsstyringen mulighed for at holde et minimumstryk på gaskøleren. Dette er en funktion, der er beregnet til at blive brugt til varmegenindvinding, hvor der ønskes opretholdt en minimumstemperatur til dennes varmeveksler.

4.2.2.4 ØkonomiDenne variant har de laveste konstruktionsomkostninger af de fire varianter og bruges derfor som sammenligningsgrundlag. Der er til gængæld en dårlig COP på AC, da den fordampede CO2 over AC fordamperen reduceres i tryk over gasbypassventilen inden den igen komprimeres. Hvad de andre varianter undgår.

19

4.2.2.5 Fordele:Lave konstruktionsomkostninger.

En kendt løsning med mange anlæg i drift.

4.2.2.6 Ulemper:Lav COP på AC

4.2.3 Variant 2.Denne variant ligger tæt op af variant 1, men ved drift med AC dedikeres en kompressor til dette for, at opnå bedre COP for AC. Anlægget vil være ens opbygget, om der skal være AC funktion elle ej. Den eneste forskel vil være, at der kun vil være frekvensregulering på den ene MT kompressor, hvis anlægget ikke skal kunne levere AC.

Der er et PI diagram for overblik på (bilag8)

4.2.3.1 RedundansDa der ønskes driftsikkerhed for MT, kan AC kompressorens del af sugmanifolden åbnes til MT delen via ventil V-23. Samtidigt skal der sendes signal til, at AC skal stoppe da sugetrykket i MT er -10 grader, hvilket vil rime AC fordamperen til. Samtidigt ønskes det at prioritere kølekapacitet frem for AC.

4.2.3.2 OliesystemFordi AC kompressorens sugetryk er højere end trykket i oliebeholderen, vil det ikke være muligt at tilføre denne kompressor olie herfra. Derfor skal der en anden løsning til for at give denne kompressor olie. Fra afgangen af gaskøleren er CO2 enten på væskeform eller meget tung transkritisk. Her vil væske med olie lægge sig i bunden af røret (Lars Rasmussen, 2013). Derfor kan der transporteres olie til AC kompressoren ved at sætte udtaget til AC i bunden af røret, hvorved der vil være en stor koncentration af olie i flowet til AC kompressoren. For ikke at risikere en overfyldning med olie i AC kompressoren skal den ventil, der ved variant 1 ville lade olie flyde til kompressoren, åbne. Herved tappes AC kompressoren for olie, da sugetrykket er højere her end i oliebeholderen. Olieledningen skal føres uden om filter for ikke at lave backflush.

De 2 to andre kompressorer kan benytte oliebeholderen og styring, som ved variant 1.

Når AC kompressoren skal køre som MT kompressor, skal olietilførslen virke som for MT kompressoren. Dette betyder at olie skal flyde den anden vej.

20

Derfor kan en almindelig magnetventil, som normalt bruges i ADVANSORS køleanlæg ikke bruges ved olie til/fra førsel for AC kompressoren, da de ikke kan modstå tryk fra begge sider. Tryk på oversiden af ventilkeglen virker på samme side som fjederen og hjælper med at holde ventilen lukket. Hvis trykket bliver for højt her, vil magnetspolen ikke kunne åbne ventilen. Tryk nedefra vil tvinge ventil keglen op, da fjederen ikke er beregnet til at lukke i modtryk.

Figur 5 Kilde: http://www.danfoss.com/Denmark/NewsAndEvents/Archive/Industrial+Automation/2007/Magnetventiler/A16B0B75-F729-45DD-9A8E-D460407A5AA1.html

Derfor skal denne ventil være en motorventil.

4.2.3.3 ACTil forskel fra variant 1, hvor AC fordamperen sidder parallelt over højtryksventilen, udtages CO2 til AC her før højtryksventilen og returneres i sugemanifolden for MT kompressorerne, der kan opdeles med en ventil således, at den ene kompressor kan dedikeres til AC drift med separat sugetryk for AC fordamperen. Det separate sugetryk gør det muligt med dynamisk regulering af AC sugetryk, alt efter belastning af AC fordamperen og deraf følgende bedre COP.

4.2.3.4 ØkonomiDette anlæg har den bedste COP for AC funktionen, da det som det eneste kan regulere sugetrykket dynamisk, efter belastning af AC fordamperen.

Konstruktionsomkostninger er øget i forhold til variation 1, da der er ekstra komponenter i systemet. Dette gør sig også gældende for anlæg der ikke har brug for AC.

21

4.2.3.5 Fordele:En bedre COP for AC i forhold til variation 1.

4.2.3.6 Ulemper:Konstruktionsomkostninger er øget i forhold til variation 1, da der er ekstra komponenter i systemet (ventil i sugemanifold og motorventil i oliesystem). Dette gør sig også gældende for anlæg uden AC.

En uprøvet løsning, ADVANSOR har ikke før produceret anlæg, med denne løsning.

4.2.4 Variant 3.ADVANSOR er begyndt at producere anlæg med parallel kompressor, der har sugetryk ved receivertryk og dermed tager bypass gassen direkte ved receivertryk i stedet for først, at sænke trykket over gasbypassventilen. Hermed øges COP.

Der er et PI diagram for overblik på (bilag9)

4.2.4.1RedundansFor stadigvæk at kunne virke ved fejl på en kompressor, er der en gas bypass ventil og ventiler således, at der kan kobles om, så gas bypass ventilen overtager for parallelkompressoren, hvis den er defekt eller skal køre som erstatning for MT kompressoren, hvis denne skulle svigte.

4.2.4.2 OliesystemDa parallel kompressorens sugetryk er højere end trykket i en eventuel oliebeholder i receiveren, kan en sådan oliebeholder ikke benyttes. For at udtage olie ved et højere tryk bruges en olieudskiller.

Da olieudskilleren sidder ved et maksimalt tryk på 120 bar betyder det, at den nye type oliestyring fra Emerson, kaldet OM4, med indbygget magnetventil ikke kan bruges, fordi dennes magnetventil kun kan klare 60 bar. Den samme type oliestyring fås dog med styring for separat magnetventil kaldet OW4 og denne kan bruges her sammen med de magnetventiler, der normalt bruges ved compSUPER anlæg, hvilket dog vil resultere i en højere pris på oliestyringen, da disse magnetventiler i sig selv er dyrere end OM4. Ved et møde med repræsentanter for Emerson er det dog kommet frem, at de regner med at kunne levere en ny model oliestyring OM5, der vil kunne arbejde ved 120 bar. Med OM5 vil der derfor stadig være mulighed for besparelse på oliesystemet.

22

4.2.4.3 ACAC virker som ved variant 1 ved at kundens fordamper sættes ind parallelt med højtryksventilen. Her resulterer det dog ikke i en dårlig COP for AC, da parallel kompressoren suger den over AC fordamperen fordampede CO2 ved receivertryk, hvorved tabet ved trykfald over gasbypass ventilen undgås. Sugetrykket kan dog ikke varieres efter belastning på AC som ved variant 2.

4.2.4.3 ØkonomiKonstruktionsomkostninger er øget i forhold til variation 1, da der er ekstra komponenter i systemet. Dette gør sig også gældende for anlæg, der ikke har brug for AC.

Det vides ikke hvor meget der spares på en receiver uden oliebeholder og om dette kan kompensere for udgift til olieudskiller.

Besparelse på oliesystem er afhængigt af Emersons udvikling af OM5.

COP for AC er bedre end for variant 1, men dårligere end for variant 2.

COP er også forbedret uden AC, da det tab der er ved styring af receivertryk via gasbypass ventil undgås ved at styre trykket via parallelkompressoren.

4.2.4.4 Fordele:Med parallel kompressor opnås en bedre COP for køl i forhold til variation 1 og 2. Samt bedre COP for AC end ved variation 1.

Der er ikke forskel på produktion, efter om AC optionen udnyttes. Dermed kan et anlæg produceret til lager altid bruges.

Parallel kompression er en kendt løsning.

4.2.4.5 Ulemper:Dette er et dyrere anlæg at producere i forhold til variant 1, da der skal være to frekvensomformere og flere ventiler.

Her kan oliebeholder i receiver ikke udnyttes og der skal konstrueres en løsning med olie tilførsel fra en olieudskiller. Denne løsning er heller ikke et ADVANSOR patent og dermed mistes et godt salgs argument.

Da oliebeholderen ikke bruges, øges risikoen for væskeslag. Alternativt skal der være en varmeveksler på efter bypass udgang på receiver, der overheder bypassgassen via retur fra gaskøleren. (endnu et fordyrende komponent).

23

ADVANSOR har ikke langvarige erfaringer med paralleldrift i køleanlæg.

4.2.5 Variant 4.Denne variation er en kombination af system 1 og 3, der kan fungere som option 1 for kunden der ønsker det billigst mulige anlæg uden en AC option. For den kunde, der skal bruge AC og/eller vil have en bedre COP på anlægget, tilbydes en løsning med parallel kompressor.

Der er et PI diagram for overblik på (bilag10)

For ikke at skulle producere to forskellige typer anlæg, begrænses den fysiske forskel imellem anlæg uden paralleldrift og anlæg med parallel drift til den elektriske styring.

4.2.5.1 RedundansGas bypass ventilen skal sidde på alle anlæg, selv om den normalt kun er i brug på anlæg uden parallel kompressor. Når den ikke er i brug er den lukket(NC). På anlæg med parallelkompressor skal den overtage dennes funktion med at holde receivertrykket, hvis parallelkompressoren fejler eller hvis MT kompressoren fejler og parallelkompressoren så skal bruges som MT kompressor.

Når anlægget kører med parallel kompressor, er parallelsugsventil V-632 åben (NO) og skal lukke ved fejl på parallel eller MT kompressor. Grunden til at have en parallelsugsventil i stedet for, at gasbypassventilen ikke bare åbnes ved drift med parallel kompressor er, at kravet til Kv værdien vil blive så stort, at der skal bruges en større og meget dyrere ventil, da et tryktab her vil reducere fordelen ved parallelkompression.

I sugemanifolden sidder ventil V-659. Denne ventil er lukket ved drift med parallel kompression (NC) og skal åbne ved fejl på parallel eller MT kompressor, hvorved der reduceres med en suge gruppe således, at parallelkompressoren kan overtage MT kompressorens funktion.

4.2.5.2 OliesystemDet vil være nødvendigt med en olieudskiller for olietilførsel til parallelkompressoren, da dens sugetryk er for højt til at kunne få olie fra receiverens indbyggede oliebeholder. Da olieudskilleren sidder ved et maksimalt tryk på 120 bar betyder det, at den nye type oliestyring,som ved variant 3 ikke kan bruges, men udskiftes med OW4, der har styring for separat

24

magnetventil. Som nævnt ved variant 3 forventes det, at Emerson på sigt vil kunne levere en OM 5 oliestyring, der kan klare de 120 bar.

De 2 to andre kompressorer kan benytte oliebeholderen og OM4 styring som ved variant 1.

På produktionsmodellen kan løsningen med olieopsamling i en olieudskiller som udgangspunkt også bruges i anlæg uden parallelkompressor for ikke, at have mekanisk forskel på anlæggene.

4.2.5.3 ACCO2 udtages efter gaskøleren og sendes til en fordamper i kundens ventilationssystem for herefter at returnere til parallelkompressorens suge side. Det vil sige at ADVANSOR ikke har noget med dette at gøre, og den eneste ekstra omkostning i forbindelse med anlæg uden AC vil være de to studse til ud og indtag af gas.

4.2.5.4 ØkonomiDer vil være mekanisk forskel ved oliestyring, sugemanifold og parallelsugeventil. Dermed omkostninger for anlæg uden paralleldrift.

COP er alt efter om der bruges parallelkompression eller ej som ved variation 1 eller variation 3.

4.2.5.5 Fordele:Kan leveres med den COP kunden vil betale for.

4.2.5.6 Ulemper:Der er ekstra omkostninger i forhold til variation 1 på billig udgave uden parallelkompression.

4.3 BeslutningVed et møde i RD afdelingen omkring de ovenstående optioner blev det vurderet, at variation 1 er en sikker løsning med gennemprøvede teknologiske løsninger, da den ligger tæt op ad et eksisterende anlæg, hvor der er mange enheder i drift.

Samtidigt vurderer ledelsen, at det er ca. 75 % af anlæggene, der vil blive solgt uden AC. Derfor er variation 2 ikke aktuel. Paralleldrift ses som en interessant mulighed og vil give en bedre COP.

25

Det er besluttet, at det er for tidligt at komplicere anlægget i forhold til variation 1, da der er nok af nye komponenter, der skal bringes til at fungere. Samtidigt er den nuværende COP for compSUPER konkurrencedygtig på markedet og den primære grund til at udvikle denne nye model, er at nedbringe produktionsomkostninger. Derfor vil en eventuel løsning med parallelkompression først kunne komme på tale i en senere model.

Det er dermed besluttet, at projektet skal gå videre til prototype stadiet med variation 1 som udgangspunkt.

4.4 Systemopbygning for prototype

4.4.1 SystemopbygningDet er valgt at gå videre med variation 1, fordi de andre optioner medfører ekstra omkostninger for kunden der ønsker det billigst mulige anlæg uden en AC option. For den kunde der skal bruge AC, er det stadig muligt og vil kunden have en bedre COP, er det ikke dette Low Cost anlæg, kunden skal købe.

For ikke at skulle producere to forskellige typer anlæg, begrænses den fysiske forskel imellem anlæg uden AC og anlæg med AC drift til kundens del af anlægget. Det vil sige, at der altid er udtag til AC, bestående af udtag foran og bagefter højtryksekspansionsventilen. Den elektriske styring er ens med og uden AC. Kunden skal selv styre AC fordamperen.

4.4.2 Varmegenindvinding.Varmegenindvinding vil ikke være monteret på prototypen, da det er en gennemprøvet teknik. Det er meningen at CO2 skal tages ud til en varmeveksler i kundens ventilationssystem således, at den sidder i serie med gaskøleren og på den måde virker som en ekstra gaskøler.

4.4.3 GaskølerTil prototypen bruges en gaskøler, der er i firmaet og i forvejen bruges til testopstilling. Denne gaskøler er ifølge producenten (bilag11)for lille til at have tilstrækkelig effekt ved 32 grader, som normalt er kravet for en gaskøler. Ved prototypen vides det dog, at temperaturen ikke vil være over 20 grader. Der vil tilmed være højere trykfald over den, end der normalt vil blive accepteret. Dette tab er dog ikke afgørende for at teste funktion af en prototype (Lars Rasmussen, 2013). Derfor accepteres denne gaskøler til prototypen for så omkostningerne minimeres.

For produktionsmodellen er der som nævnt i afsnittet om ydre opbygning dimensioneret en gaskøler, der passer i footprint med kabinet design.

26

4.4.4 ACPå produktionsmodellen er det meningen at CO2 udtages efter gaskøleren, før højtryksventilen og sendes til en fordamper i kundens ventilationssystem, for herefter at returnere efter højtryksventilen. Det vil sige, at ADVANSOR ikke har noget med dette at gøre og den eneste ekstra omkostning i forbindelse med anlæg uden AC, vil være de to studse til ud og indtag af gas.

På prototypen vil det dog være nødvendigt med en AC fordamper for at kontrollere, at anlægget virker efter hensigten og kan levere den AC ydelse anlægget er udlagt til at skulle kunne levere. Der er bestilt og monteret en AC fordamper til formålet.

4.4.5 HøjtryksventilHøjtryksventilen er en gennemprøvet løsning. Selve ventilen vil dog være af et andet og billigere fabrikat end i tidligere anlæg. Det er samme fabrikant som skal levere anlægsstyringen. Forsøg med prototypen skal vise om denne ventiltype, der er helt nyudviklet, vil fungere tilfredsstillende.

4.4.6 ReceiverReceiveren er på prototypen en 90 bars model, da 60 bars modellen endnu ikke er klar. Dette skulle dog ikke have betydning, da sikkerhedsventilerne på den er af 60 bars type.

Den benyttede receiver er beregnet til at sidde i et compSUPER anlæg, hvor der svejses rør direkte på receiverens studse. Dette betyder, at der ved denne prototype skal svejses reduceringer og lodde fittings på receiveren for at kunne bruge den til prototypen. Dette giver nogle upraktiske lange studse på receiveren og den fylder mere end nødvendigt. Samtidigt giver det ekstra arbejdsgange. En dedikeret receiver, med lodde tilslutninger og studse placeret efter rørføringer, vil kunne spare arbejdstid, materialer og plads.

27

Figur 6 billede af receiver studse Kilde: Eget foto

4.4.7 MT og LT fordamperePå prototypen anvendes fordampere, der er i firmaet og i forvejen bruges til testopstilling. Fordampere er ikke noget ADVANSOR ellers beskæftiger sig med, da de er en del af kundens anlæg.

4.4.8 Gas bypass ventilGas bypass ventilen skal holde receivertrykket.

Gasbypassventilen er, som højtryksventilen, en gennemprøvet løsning. Ventilen er af samme nye fabrikat som ved højtryksventilen og i sig selv en prototype, der skal testes på dette prototype anlæg.

4.4.9 SugemanifoldKompressorer suger i compSUPER anlæg fra skråt skårne rør, der er boret ind i og svejst fast i sugmanifold. For at få en produktionsmæssigt billigere løsning, bruges i stedet t-stykker monteret ca. 30 grader fra vandret. Da der på Low Cost modelen skal bruges loddede kobberrør, ville de ikke bare kunne bores ind i manifolden og svejses, men skulle have en loddemuffe monteret, hvilket svarer til at montere et T-stykke.

28

Grunden til at der ikke bare kan suges fra toppen af manifolden er som nævnt tidligere, at der ved en oliefyldning i manifolden så pludselig kan suges en stor mængde olie med ind i kompressoren med overfyldning og havari til følge.

Figur 7 billede der viser T-stykker på sugemanifold Kilde:Eget foto

Figur 8 billede af sugemanifold på compSUPER med isvejste skråt skårne rør Kilde: eget foto

4.4.10 OliestyringOliebeholderen fungerer som olie reservoir for MT og LT kompressorerne. I hver kompressor sidder der en olieniveau-switch, som åbner en magnetventil, så olie kan løbe til den pågældende kompressor, hvis olieniveauet er for lavt.

29

En ny type olieswitch OM4 fra Emerson med indbygget magnetventil skal bruges og funktionen af disse skal testes med prototypen.

Grunden til at denne type af switche med ventiler skal bruges er at de er billigere og at der har været nogle problemer med kompressornedbrud, hvor de eksisterende olie niveau switche er mistænkt, dog uden at det ved forsøg på firmaets undervisnings/forsøgsanlæg har kunnet dokumentere, at fejlen lå her. En fejl på en olieniveauswitch kan resultere i havari på den pågældende kompressor.

At måle olieniveauet inde i en kompressor er ikke simpelt, da der er stor uro inde i kompressorhuset og da der er CO2 opblandet i olien. Den nye type olieswitch virker ved en svømmer, der registreres induktivt i modsætning til den switch, der bruges på compSUPER, som fungerer ved ændring i kapacitet imellem to rør inde i kompressorhuset. Samtidigt har den nye type switch svømmerkammer udenfor kompressoren og skulle dermed undgå den uro, der er inde i krumtaphuset.

Figur 9 billede af Emerson OM4 oliestyring, her ses tydeligt det eksterne svømmerkammer, der samtidigt fungerer som skueglas. Kilde: Eget foto

30

Figur 10 billede af bagside på Emerson OM4, hullet i midten er til oliepåfyldning og de to andre huller lader olie fra krumtaphuset løbe til og fra det eksterne svømmerkammer. Kilde: Eget foto

Da sugetrykket i MT kompressorerne er det samme som trykket i oliebeholderen på nær rørmodstanden og gravitation, er der kun et lavt tryk til at drive olien fra oliebeholderen til MT kompressorerne. Derfor er oliebeholderen monteret højt i receiveren og kompressorerne skal være monteret så lavt, som muligt. Højdeforskellen imellem olietilførsel på kompressor og oliebeholderen er ca. 0,5 meter. Det betyder, at ventilerne skal have en høj Kv værdi for at give et tilstrækkeligt olieflow. Det har i compSUPER anlæg vist sig nødvendigt at have magnetventiler med stor lysning og dermed stor Kv værdi for at opnå et tilstrækkeligt flow af olie.

Der foreligger dog ikke data for, om det er nødvendigt med så høj en Kv værdi, som der er på de magnet ventiler, der normalt bruges på compSUPER, eller om de er udlagt til den sikre side og hvis det er tilfældet, hvor meget der så er mulighed for at reducere Kv værdien med.

For at finde ud af om det kan lade sig gøre at benytte Emerson oliestyring med integreret magnetventil. Findes KV værdi for Emerson OM4 og sammenlignes med KV værdier for de ventiler, der bruges på eksisterende anlæg.

KV værdi for magnetventilen i Emerson OM4 enhed.

Flow rate Opgivet 0,9 l/min ved Delta P =3,5 bar(bilag12)

QV udregnes. Der skal ganges med 60 for at komme fra minutter til timer og divideres med 1000 for at komme fra liter til kubikmeter

31

qV=0,9 ∙601000

=0,054m3/h

KV =QV

√∆P=0,054

√3,5=0,0289

Flowrate ved 0,5 bar

qV=kV ∙√∆ p=0,0289 ∙√0,5=0,0204m3/h

Flowrate i L/min.

Flowrate=qV

60∙1000=0,0204

60∙1000=0,34 L/min

Flowrate for eksisterende compSUPER XS anlæg

KV værdier er taget for GSR type 52 magnetventiler (bilag13)

KV for 6mm ventil er 0,75 m3/h

KV for 2mm ventil er 0,13 m3/h

qV værdi for 6 mm magnetventil ved differenstryk på 0,5 bar.

qV=kV ∙√∆ p=0,75 ∙√0,5=0,53m3 /h

Flowrate i L/min.

Flowrate=qV

60∙1000=0,53

60∙1000=8,83L /min

qV værdi for 2 mm magnetventil ved differenstryk på 0,5 bar.

qV=kV ∙√∆ p=0,13 ∙√0,5=0,0919m3 /h

Flowrate i L/min.

Flowrate=qV

60∙1000=0,0919

60∙1000=1,53 L/min

32

qV værdi for 2 mm magnetventil ved differenstryk på 13,2 bar.

qV=kV ∙√∆ p=0,13 ∙√13,2=0,47m3/h

Flowrate i L/min.

Flowrate=qV

60∙1000=0,47

60∙1000=7,83L /min

Det ses at flowraten i eksisterende anlæg er 26 gange større end i Emerson ventilen.

Flowrateforhold= Flowrate for eksistende anlægflowrate for Emersonventil

=8,83L/min0,34 L /min

=26

Det er derfor tydeligt at det bliver nødvendigt at øge Emerson ventilens flowrate, hvis den skal kunne anvendes i køleanlægget. fordi dens indbyggede magnetventil ifølge Kim G. Christensen (Bilag14)helt sikkert er for lille.

Flowrater i oven stående beregninger er for vand. Da der kun er tale om sammenligning, er der ikke omregnet til det aktuelle CO2 kølemiddel.

Emerson har lavet en prototype af OM4 med større Kv værdi. Flowraten er nu 1,6 l/min.

Producenten vil forsøge at bore ventilen op til en større diameter. En anden mulighed er, at samme type switch fås med styring for separat magnetventil og at denne kan styre den type magnetventiler, der bruges på compSUPER, hvilket dog vil øge prisen væsentligt. I økonomi afsnittet i rapporten kan det ses, at denne vil blive for dyr, da compSUPER magnetventilernes pris overstiger OM4 oliestyringens pris.

Emerson har lavet en prototype af OM4 med større Kv værdi. Flowraten er nu 1,6 l/min ved 0,5 bar differenstryk. Og det er besluttet at forsøge med den på prototype anlægget.(Bilag15)Selv om det stadigt er en væsentligt mindre Kv værdi end der normalt bruges ved compSUPER.

33

4.4.11 KompressorerKompressorerne dimensioneres efter den ydelse, som anlægget skal kunne levere. Dette foregår med programmet V8 COMPSUPER DS VGV 8g1.EES. I dette program er de kompressortyper, som er til rådighed, lagt ind.

4.4.12 MellemtrykskompressorMellemtryks kompressorerne skal opretholde et sugetryk på 26,5 bar svarende til -10 grader.

Der er to MT kompressorer og den ene er med frekvensomformer. Kompressoren uden frekvensomformer vil indkoble, når den anden MT kompressor med frekvensregulering opnår sit maksimale omdrejningstal og koble ud igen, når den frekvensregulerede kompressor opnår sit minimale omdrejningstal.

Frekvensstyringen af kompressoren er, som noget nyt sammenbygget med kompressoren, hvilket simplificerer elinstallationen. Denne nye type har et større spænd i frekvensreguleringen. Tidligere kunne der reguleres fra 30 Hz til 70 Hz (Lars Rasmussen, 2013) og den nye type kan regulere fra 25 Hz til 87 Hz. Grunden til, at der ikke køres med lavere frekvens er, at oliesmøring ikke virker korrekt og at køling af motor ikke vil være tilstrækkelig (Nielsen, 2010). Fordelen ved nemmere installation og større fleksibilitet med det større frekvensspænd gør, at disse nye kompressorer skal testes på prototypen.

Der kan også opstå vibrationer ved bestemte hastigheder(Lars Rasmussen, 2013), der så skal springes over ved, at kontrolenheden ikke lader kompressoren køre ved disse frekvenser. For at kunne finde eventuelle vibrationsområder på prototypen er det vigtigt, at den i rørlængder og dimensioner er så tæt som muligt på en produktionsmodel.

4.4.13 Lavtrykskompressor Lavtrykskompressoren skal opretholde et sugetryk på 13,3 bar, svarende til -32 grader. Den udstyret med en frekvensomformer, da der er begrænset plads i kabinettet og der derfor kun ønskes en LT kompressor.

Det foretrækkes normalt at undlade frekvensomformer på LT kompressoren, da der har været problemer på tidligere anlæg (Lars Rasmussen, 2013), når der ikke har været belastning på MT fordampere, med at LT kompressoren ikke vil kunne holde en MT kompressor i gang ved lav frekvens. Før LT kompressoren starter, vil den bede MT kompressoren om at starte. Men da LT kompressoren ikke kan holde MT sugetrykket højt nok ved lav frekvens, stopper MT kompressoren, hvorefter LT kompressoren falder ud. Derfor er det bedre at lade LT køre on/off regulering, hvorved det sikres, at sugetrykket til MT holdes

34

tilstrækkeligt højt, når LT kompressoren kører. Ved at bruge 2 LT kompressorer af forskellig størrelse er det muligt at have 3 belastningstrin på LT. Den mindste LT kompressor skal så være så stor, at den kan holde sugetrykket oppe på MT.

På prototypen, hvor der bruges frekvensomformer, kan problemet undgås ved at begrænse hvor langt, frekvensstyringen får lov at gå ned i frekvens. Det betyder dog, at der ikke opnås den fulde COP fordel ved frekvensstyring.

4.5 Rør og flowRørenes dimensioner skal defineres således, at kølemidlets hastighed holdes inden for de i firmaet anbefalede hastigheder. Lidt højere hastighed kan dog accepteres(Lars Rasmussen, 2013).

Derudover skal modstanden over rørene undersøges. Denne skal, helst holdes under 0,5 K fra sugesiden af kompressor til indgang fra kundetilslutning for at undgå for store tab(Lars Rasmussen, 2013).

4.5.1 Dimensionering af rørTil dimensionering af rør bruges et program kaldet Pressuredrop_CO2 2b1 US, der kan regne tryktabet over en rørstrækning ud. Ud fra masseflow, rørlængde, bøjninger (modstande i Zeta), indre rørdiameter, tryk og temperatur.

Masse flowet fås fra ESS programmet V8 COMPSUPER DS VGV 8g1. Ved at indsætte de korrekte kompressorer og tilpasse belastning til 40 kW køl og 10 kW frost giver programmet flow og temperatur. (Bilag7)

Masse flowet ændres for nogle rør ved AC drift. Dimensioneringen skal altid tage hensyn til det største flow. Der vil være et større flow over gasbypass ved AC drift. Dette findes ud fra 2 beregninger i V8 COMPSUPER DS VGV 8g1. En beregning ved 20 kW køl og 10 kW frost ydelse og en anden beregning, hvor der regnes på hvor meget, der skal fordampes over AC fordamperen for at få 20 kW AC ydelse. Masse flowet, der fordampes over AC fordamperen, lægges sammen med det gasbypass masse flow, der kommer ved 20/10 kW ydelse for at få det resulterende masse flow over gasbypass.

Da rørlængder og antallet af bøjninger endnu ikke kendes, antages der en længde på 2 meter samt, at der er 3 bøjninger. Dette er normal praksis ved ADVANSOR.

Den indre rørdiameter for forskellige rørstørrelser findes ud fra producentens tabel. I dette tilfælde bruges der K65 rør fra Wieland. Deres tabel for K65 rør bruges til at finde indre rørdiameter.(bilag16)

35

For et bedre overblik er de to drift formers flow, tryk og temperatur for de enkelte rørstrækninger nummereret og sat op i tabel.

Tabel 2 maksimal flowbelastning for de enkelte rørstræninger

Maksimalt flow

Rør Beskrivelse kg/sTryk (bar) Temp 'c AC

1 Afgangsrør fra MT kompressorrer til gaskøler 0,364 95 125,8 -2 Rør fra gaskøler til højtryksventil 0,364 95 37 -3 Rør fra højtryksventil til receiver 0,364 38 3,3 +4 Rør fra receiver til kundeafgang (væske) 0,21 38 3,3 -5 Rør retur fra kunde køl 0,168 26,5 0 -6 Rør ind til oliebeholder 0,364 26,5 0 -7 Rør fra oliebeholder til Mt sugemanifold 0,364 26,5 3,3 -8 Rør retur fra kunde frys til til coil i receiver 0,042 13,3 -24 -9 Rør fra coil i receiver til LT sug 0,042 13,3 -6,8 -

10Rør fra LT kompressor mod T-stykke fr gas bypass 0,042 26,5 71,4 -

11Rør fra Gas bypass T-stykke til t-stykke fra køl retur 0,196 26,5 +

12 Rør fra receiver til gas bypass ventil 0,248 38 3,3 +13 Rør fra gas bypass ventil til T-stykke 0,248 26,5 -10 +

Rørstrækningerne er vist på PI- diagram(bilag17).

Hastighed og tryktab over de enkelte rørstræk er udregnet i programmet ” Pressuredrop CO2 2b1 US” (Bilag18)

Rør 3 kan ikke beregnes i programmet, da der her er tale om en gas og væske blanding. Det dimensionerende flow er ved drift med AC, fordi en del af flowet her er fordampet over AC fordamperen.

4.5.1.1 Udregning af flow i rør 3 og bypass gas flowFlow hastigheden er størst ved 20/20/10 drift.

Flow over højtryksventilEnthalphi efter aflæst i logph diagram via RefrigerationUtilities til h=304

Flow over ACEnthalphi efter AC ved 10 graders overhedning aflæst i logph diagram via RefrigerationUtilities til h=446

Flow i rør 3Enthalphi efter opblanding af flow fra højtryksventil og AC

36

hRør 3=(ṁhøjtryksventil ∙hhøjtryksventil )+(ṁAC ∙ hAC)

ṁanlæg=

(0,216 ∙304 )+(0,143 ∙446)0,359

=361

Hastighed i rør 3Massefylde aflæst i logph diagram via RefrigerationUtilities til

V=0,00673m3/kg

Volumen flow i rør

3 V=V ∙ m=0,00673 ∙0,359=0,002416m3/s

Areal af rørtværsnit:

di for et 5/8” K65 er ud fra Wieland tabel(bilag16) aflæst til 13,8 mm = 0,0138

A=π4

∙ d i2= π4

∙0,01382=0,000149m2

Hastighed:

v= VA

=0,002416m3/ s0,000149m2 =16,2m /s

Dette er over den anbefalede hastighed på 12 m/s, men da denne rørdimension passer med den ventil der skal anvendes samtidigt med at rørstrækningen forventes at være kort accepteres den høje hastighed.

37

Nedenstående tabel opsummerer de beregnede tryktab og hastigheder.

Tabel 3 beregnede hastigheder og tryktab Kilde: Egen tilvirkning

Rør Dimension Hastighed [m/s] Tryktab [bar]Tryktab K

1 3/4" 11,2 0,212 5/8" 3,7 0,123 5/8" 16,24 5/8" 1,5 0,035 5/8" 17,3 0,24 0,36 7/8" 19,3 0,24 0,37 7/8" 19,8 0,25 0,38 1/2" 13,5 0,1 0,29 1/2" 15 0,11 0,2

10 1/2" 9,9 0,08 0,111 7/8"12 5/8" 15,3 0,31 0,313 7/8" 12 0,05 0

38

5 Prototype

Tabel 4 data for opmåling af prototype kilde: Egentilvirkning

Opmåling af rør og modstande i prototypen

Rør nummer Længde [m] Dimension

30 grader bøjning

90 grader vinkel

90 grader bøjning

180 grader bøjning

skarp 90 grader bøjning i T-stykke

udløb i T-stykke

Udløb i beholder

1 2,65 -(0,4) 3/4" 1

2 0,7 5/8" 1 1

3 0,1 5/8" 1 1

4 0,6 5/8" 2

5 1,8 5/8" 1 2 1 (7/8")

6 0,2 7/8" 1 1

7 0,7 7/8" 21 (1 1/8")

8 2,1 1/2" 3 1

9 2,24 1/2" 4

10 0,95

5/8" skulle have været 1/2" 2 1 (7/8")

11 0,1 7/8"

12 0,72 5/8" 1 1

13 0,03 7/8"Trykrør MT kompressor 1,05 5/8" 1 1 1 (3/4")Sugerør MT kompressorer 0,72 5/8" 1 1 1 (1 1/8")

Sugemanifold0,65 (0,25 fuld flow) 1 1/8"

Olie rør1 fra beholder fuld flow 0,6 1/2" 1 12 fra afgrening til MT1 frem til afgrening til MT2 0,4 1/2"

3Rør til MT1 0,45 1/2" 1 1

4 Rør til MT2 0,45 1/2" 1 1

5 Rør til LT 0,84 1/2" 1 16 rør til emerson MT1 0,52 1/4" 37 Rør til Emerson MT2 0,52 1/4" 38 Rør til Emerson LT 0,52 1/4" 3

39

6 Prototype forsøg6.1 Oliesystem6.1.1 Emerson ventiler og ekstern styringTil at starte med var der problemer med olietilførsel til MT1 kompressoren. Dette problem lå dog ikke ved Emerson ventilerne, men ved den måde testanlæggets fordampere er monteret. Testanlæggets fordampere sidder oven over hinanden, hvorved olien forsvandt ned i den nederste fordamper der ikke var startet.

Da den nederste fordamper blev startet op, kom olien retur til oliebeholderen og Emerson ventilerne kunne følge med til at levere olie til samtlige kompressorer.

Funktionen af Emerson ventilerne er testet ved at lade MT 1 køre ved maksimal belastning og se, om oliestyringen kunne følge med til forbruget. Ved at lukke for olietilførslen blev det konstateret, at kompressoren slukkede ved oliemangel, som det var hensigten og at der ved reetablering af olietilførsel og reset af styring blev tilført olie til korrekt niveau.

Det er konstateret, at Emerson OM4 oliestyringer i speciel version med større KV værdi fungerer tilfredsstillende.

40

6.2 ControllerCAREL styring har styringsmæssigt fungeret efter hensigten. Det har dog vist sig, at E3V ventilen er for lille. Under forsøg med AC drift stod gasbypass ventilen 100 % åben konstant og kunne stadig ikke bringe receivertrykket tilstrækkeligt langt ned. Dette kan ses ud af nedenstående tabel med forsøgsresultater, hvor receiverens setpunkt tryk ikke opnås på trods af den 100 % åbne gasbypassventil.

Tabel 5 Data optaget under forsøg med AC

Data fra forsøg med prototype med AC, 2 køle og 1 frost fordamper.03-05-2013

Tidspunkt 12.20 12.50 12.55 13.00 13.05 13.10 13.15 Gennemsnit

Kompressor last i %MT1 78 78 78 80 80 80 78 78,86MT2 on on on on on on onLT (begrænset) 34 40 40 40 40 40 40 39,14SugetrykMT 25,3 25,3 25,3 25,3 25,3 25,3 25,3 25,31LT 11,4 11,4 11,4 11,4 11,4 11,4 11,4 11,43SugetempMT -10 -10 -10 -10 -10 -10,2 -10 -10,20LT -34 -34 -34 -34 -34 -34 -34 -34,00MT1 sugerør -0,7 0,5 0,6 0,6 0,8 0,8 0,8 0,49MT overhedning 9,5 10,7 10,8 10,8 11 11 11 10,69ReceivertrykSetpunkt 38 38 38 38 38 38 38 38,00Aktuelt 43,3 43,6 43,6 43,7 43,8 43,7 43,7 43,63Differens 5,3 5,6 5,6 5,7 5,8 5,7 5,7 5,63Gasbypassventilåbningsgrad i % 100 100 100 100 100 100 100 100,00GaskølerTemp Lufttilgang 25 25,8 26 26,3 26,5 26,7 26,8 26,16Gas temp ud 36,4 36,5 36,6 36,8 36,8 36,5 36,5 36,59Temperaturdifferens 11,4 10,7 10,6 10,5 10,3 9,8 9,7 10,43Zone trans trans trans trans trans trans transTryk 92 93,3 93,2 93,5 93,1 93,5 93,10Højtryksventilåbningsgrad i % 63 67 48 47,7 49 47,1 47,1 52,70

41

Ved drift uden AC kan gasbypassventilen godt følge med som det ses i nedenstående tabel for førsøg uden AC fordamper. Her skal der dog gøres opmærksom på, at prototypen ikke kan levere samme køleydelse som den planlagte produktionsmodel, der så vil belaste gasbypassventilen mere.

Tabel 6 Data optaget under forsøg uden AC

Data fra kørsel med prototype uden AC, 3 køle og1 frost fordamper.03-05-2013.Tidspunkt 14.05 14.10 14.15 14.20 14.25 14.30 14.35 Gennemsnit

Kompressor last i %MT1 75 74 72 72 72 72 72 72,71MT2 on on on on on on onLT (begrænset) 34 34 34 34 34 34 34 34,00SugetrykMT 24,93 24,75 24,56 24,56 24,56 24,56 24,56 24,64LT 10,31 10,31 10,31 10,31 10,31 10,31 10,31 10,31SugetempMT -10,7 -10,9 -11,2 -11,2 -11,2 -11,2 -11,2 -11,09LT -36,6 -36,6 -36,6 -36,6 -36,6 -36,6 -36,6 -36,60MT1 sugerør -3,8 -3,1 -2,6 -2,7 -2,5 -2,5 -2,5 -2,81MT overhedning 6,9 7,8 8,6 8,5 8,7 8,7 8,7 8,27ReceivertrykSetpunkt 38 38 38 38 38 38 38 38,00Aktuelt 37,8 37,7 37,9 38 38 38 38 37,91Differens 0,2 0,3 0,1 0 0 0 0 0,09Gasbypassventilåbningsgrad i % 85,7 83 80,9 81 79,7 79,4 79,5 81,31GaskølerTemp Lufttilgang 26,1 26,2 26,3 26,4 26,5 26,6 26,6 26,39Gas temp ud 35,4 35,7 35,5 35,5 35,8 35,7 35,9 35,64Temperaturdifferens 9,3 9,5 9,2 9,1 9,3 9,1 9,3 9,26Zone trans trans trans trans trans trans transTryk 89,7 90,7 90,4 90,4 91,1 90,9 91,2 90,63Højtryksventilåbningsgrad i % 67 66 64,3 64,5 63,9 64 63,2 64,70

Masse flow ved gasbypassventilen i ovenstående forsøg er beregenet til 0,09 kg/s (bilag7) og for produktions modellen til 0,154 kg/s, hvilket sandsynliggør, at gasbypassventilen heller ikke har tilstrækkelig kapacitet til anlæg uden AC.

42

Der skal derfor benyttes en større ventil eller sættes to i parallel. Parallelle ventiler er en mulighed på prototypen, da der eksister 2 ekstra ventiler af den samme type og det er ikke på kort sigt er muligt at skaffe en større model, da CAREL ventilerne er prototyper

6.2.1 Beregning af ny ventilDa det er konstateret, at prototype ventilerne fra CAREL er for små, skal det beregnes, hvilket krav der skal stilles til CAREL med hensyn til KV-værdi, således de kan fremstille en ny ventil, der kan klare belastningen.

Det maksimale flow over gasbypass ventilen vil være med AC 20/20/10.

Programmet ” V8 COMPSUPER DS VGV 8g1.EES” kan udregne flow for de 20 kW køl OG 10 kW frost (bilag6)

Bypassgas flow for køl og frost bliver 0,09 kg/s

Via programmet ” V8 COMPSUPER DS VGV 8g1.EES” laves separat beregning for, hvor stort et bypassgasflow 20 kW AC load genererer (bilag19)

Bypassgas flow for AC bliver 0,143 kg/s

Det samlede gasbypass flow bliver dermed

ṁgasbypass=ṁkølogfrost+ṁAC=0,09+0,143=0,233 kg/ s

Densiteten af mediet findes via programmet ”simple one stage plant version 2,30”

Der er udskrift fra programmet på (bilag20). Her er det punkt 9, hvor der er mættet damp. Densiteten er fundet.

ρCO2=107,2kg /m3

Volumen flow udregnes.

Q=(ṁgasbypass

ρCO 2)∙3600=( 0,233107,2 ) ∙3600=7,825m3/h

Differenstrykket er forskellen imellem receivertryk og MT sugetryk.

∆ p=preceiver−pMT sug=38−26,4=11,6 ¿

Den krævede Kv værdi findes.

43

Kv=Q ∙√ ρCO2

ρH 2O∙ 1∆ p

=7,825∙√ 107,21000∙ 111,6

=0,7522m3

h=12,54 L /min

CAREL har opgivet Kv værdien for deres prototypeventil til 6,1 L /min. Da denne værdi er under det halve af den krævede Kv værdi for den planlagte produktionsmodel, vil det ikke være muligt at anvende to ventiler i parallelt.

CAREL er nødt til at udvikle en ventil med en større Kv værdi, hvis deres ventiler skal bruges til dette projekt.

CAREL styringen fungerer på prototypen, men der skal yderligere forsøg til med andre ventiler før end en endelig konklusion kan drages.

6.3 ACDet har ved drift med prototypen vist sig, at AC funktionen fungerer fint med den begrænsning at gasbypassventilen har vist sig at være for lille. Det har endda været muligt at udnytte AC funktionen uden MT eller LT fordampere indkoblet.

6.4 Kompressor med integreret frekvensstyring6.4.1 MT kompressor med frekvensstyringMT kompressoren med frekvensstyring har vist sig at fungere upåklageligt. Der er dog en del støj fra anlægget, men da det ikke er ved bestemte frekvenser, kan det ikke henføres til, at der bruges en frekvensstyret kompressor.

6.4.2 Frostkompressor med frekvensstyringDer er ved en fejl monteret en HTC i stedet for en MTC kompressor som LT kompressor på prototypen. Dette har resulteret i, at det kun har været muligt at udnytte en lille del af frekvensreguleringen, da HTC kompressorens større volumen gør, at det har været nødvendigt at begrænse frekvensreguleringen til maks 30 Hz. Det vil sige, at der kun kan reguleres imellem 25 og 30 Hz med den konsekvens, at der ikke kan drages nogen fornuftig konklusion på, hvorvidt der skulle opstå uønskede vibrationer ved bestemte frekvensområder, som det var ønsket at finde ud af via prototypen.

6.5 RørEt af de områder, der skulle testes med prototypen var, om der ville være vibrationer i rør, der på sigt ville kunne skabe rørbrud. Der har ikke været konstateret sådanne vibrationer under drift med prototypen med forbehold for LT kompressorens begrænsede reguleringsområde.

44

6.6 StøjVed drift med prototypen har det vist sig, at opbygningen på en plade har givet et utilsigtet problem med støj. Anlægget larmer markant mere en end tilsvarende anlæg i rammeopbygning. Dette på trods af, at der er valgt en tung plade på ca. 250 kg. Hele pladen kommer i svingninger, hvilket tydeligt kan mærkes ved at lægge en hånd på pladen.

Ledelsen mener, at ideen med opbygning på en plade derfor skal droppes (Bilag21). Forslag har dog været fremme om blødere fødder på kompressorer og vanger under pladen for at minimere problemet.

Elskabets gummiophæng lader til at kunne fjerne hovedparten af vibrationerne. Kompressorfødder kan dog ikke være så bløde, da det vil give for stor belastning på suge og trykrør. Her kunne så anvendes slanger, men det er en løsning ADVANSOR har brugt tidligere og er gået væk fra på grund af problemer med holdbarhed på slangerne.(Kristian Sørensen, 2013)

Der er udført 3 forsøg. 2 med forskellige typer gummifødder og 1 med standard fødder under kompressorerne.

Der er lavet en opstilling til måling af vibrationer i pladen og støj.

Figur 11 Billede af forsøgsopstilling Kilde: Klaus H. Jensen, 2013

45

Tabel 7 forsøgsresultater for støj og vibrationsmålinger på prototype. bygger på resultater af forsøg udført af Klaus H. Jensen, 2013

Førsøg med dæmpning Støj idB ved 0,5m Vibrationer i plade i m/s2Standard fødder forsøg 1 82,1 5,62Standard fødder forsøg 2 81,9 6,61Standard fødder forsøg 3 81,7 5,62Standardfødder gennemsnit 81,9 5,95Lille gummifod forsøg 1 80 4,68Lille gummifod forsøg 2 79,8 4,47Lille gummifod gennemsnit 79,9 4,575Høj gummifod forsøg 1 82,9 6,53Høj gummifod forsøg 2 82 6,68Høj gummifod forsøg 3 82,3 6,68Høj gummifod gennemsnit 82,4 6,63

Støj målinger er kun lavet med henblik på, at have et sammenligningsgrundlag. Til at kunne konstatere, om ændringer har indvirkning på støjniveauet.

Da det ikke er lykkedes at nedbringe støjen tilstrækkeligt, skal der udføres flere forsøg, men der er stor sandsynlighed for, at ideen om at bruge en stor bundplade som basis for anlægget må droppes.

6.7 Økonomi Prototypen har givet ideer til yderligere besparelser.

Ved opmåling af rør på prototypen har det været muligt at finde prisen for kobberrør til et Low Cost anlæg. Samtidigt er der fundet frem til, hvor meget der vil kunne spares ved at anvende almindeligt kobber på dele af anlægget, hvor trykket er tilstrækkeligt lavt til, at det ikke er nødvendigt at bruge K65 kobber.

Tabel 8 Besparelse ved brug af almindeligt kobber hvor det er muligt. tabbellen er lavet ud fra opmålte rørlængder og prislister fra Refrigera, Mannermetal samt Ahlsell.

Omkostninger til rør og ventiler i K65 kr. 4.759

Besparelse ved at bruge alm. Kobber hvor det er muligt kr. 1.593Omkostninger ved brug af både K65 og almindeligt kobber kr. 3.166

For at realisere denne besparelse, vil det dog kræve en klar opdeling i produktionen. Som det er nu, bruges der kun K65 for at sikre sig imod fejl, som vil kunne resultere i, at der bliver monteret komponenter, der ikke kan holde til trykket.

46

Da det er planen, at produktionen af disse anlæg skal foregå i en separat produktionshal, kan risikoen for forveksling af komponenter reduceres med lokalt lager ved produktionen.

47

7 Økonomi7.1 ProduktionsomkostningerFor at kunne overskue, hvor der er forskelle på omkostninger og hvor meget, er omkostningerne delt op i grupper. På denne måde er det nemmere at overskue hvilke tiltag der giver økonomisk mening at gennemføre.

7.1.1 KompressorerVed kompressorerne sammenlignes der med den type, der normalt vil blive leveret til en 40/10 kW ydelse. Der vil et compSUPER XS blive leveret med to LT kompressorer i stedet for den ene frekvensstyrede kompressor, som Low Cost modellen er udstyret med. Denne løsning er en billigere end den frekvensstyrede LT kompressor. Da det på grund af montering af forkert kompressor ikke har været muligt at teste, hvordan den frekvensstyrede LT kompressor virker i systemet, er det for tidligt at sige, om den giver tilstrækkelige fordele til, at det kan svare sig at bruge frekvensstyring her.

Tabel 9 Sammenligning af kompressor priser imellem compSUPER og Low Cost anlæg. Kilde: Data er hentet i ADVANSORs C5 system

kompressorer compSUPERLow Cost prototype

MT1 11667 19661MT2 13320 11920LT1 3710 19661LT2 3718Frekvensomformere 11098Samlet pris 43513 51242Besparelse -7729

48

Som det ses af nedenstående tabel, er der en besparelse ved at bruge De kompressorer, der er valgt til Low Cost på MT, hvor der er indbygget frekvensregulator, i forhold til compSUPER med separat frekvensregulator.

Tabel 10Sammenligning af MT kompressor priser imellem compSUPER og Low Cost anlæg. Kilde: Data er hentet i ADVANSORs C5 system

kompressorer compSUPER Low Cost prototypeMT1 11667 19661MT2 13320 11920LT1LT2Frekvensomformere 11098Samlet pris 36085 31581Besparelse 4504

7.1.2 EltavleDer bruges en fysisk noget mindre (halv størrelse) eltavle på Low Cost modellen og elafdelingen, der har stået for design af denne, har tænkt i at minimere omkostningerne.

Der er tydelig fysisk forskel som følgende biller viser.

Figur 12 billeder af låge og indmad i compSUPER elskab Kilde: Eget foto

49

Figur 13 elskab på prototype udvendigt Kilde: Eget foto

Figur 14 billede indvendigt i elskab på prototype Kilde: Eget foto

50

Da denne rapport ikke behandler den el tekniske del af anlægget, vil det ikke blive behandlet yderligere, hvad der er til forskel imellem de 2 eltavler. Som det ses i nedenstående tabel, er der sket mere end en halvering af prisen i forhold til compSUPER.

Tabel 11 Prissammenligning for eltavler Kilde: Data er hentet fra ADVANSORS C5 system

Eltavle compSUPER Low Cost prototypeTavle pris for prototype 12551tavlepris for compSUPER 25776Besparelse 13225

7.1.3 SikkerhedsventilerVed sikkerhedsventilerne er der sparet i forhold til compSUPER ved, at der kun er en sikkerhedsventil på receiveren, hvilket har den ulempe, at hele anlægget skal tømmes for CO2 ved en eventuel udskiftning af sikkerhedsventilen. Det er vurderet, at dette er en besparelse, der værd at tage med, da der samtidigt spares en omskifteventil. Ud over den sparede sikkerhedsventil er V-650 af en billigere type til 52 bar, hvor der ved compSUPER bruges en 60 bars ventil. At der bruges en sikkerheds ventil med lavere tryk her, resulterer også i besparelser på kobberrør og der kan bruges billigere ventiler.

Tabel 12 Prissammenligning for sikkerhedsventiler. Kilde: Data er hentet fra ADVANSORS C5 system

Sikkerhedsventiler compSUPER Low Cost prototypeV-614 1341 1341V-627 531 531V-628 531 0V-650 531 104V-642 114 114Samlet pris 3048 2090Besparelse 958

51

7.1.4 AfspærringsventilerPå Low Cost anlægget er der ikke brugt afspærringsventiler til trykmålere og sikkerhedsventiler, som der ellers er på compSUPER anlæg. Dette giver en besparelse.

Tabel 13 Priser for ventiler på compSUPER. Kilde: Priser fra ADVANSORS C5 system

Afspærringsventiler compSUPERKuglehaner 1407Med lås 477Med lås 190Tryksiden 0Receiver og sug frost samt køl 6553 vejs 561Samlet pris/besparelse 3290

Ulempen er, at den del af anlægget, hvor komponenterne sidder, skal tømmes for CO2 før en udskiftning. Denne ulempe accepteres, da der er tale om et Low Cost anlæg. Hvis kunden ønsker disse ventiler, må kunden købe et compSUPER anlæg.

7.1.5 Analoge manometrePå Low Cost anlægget er de analoge manometre sparet væk, da de nødvendige tryk kan aflæses på anlæggets display.

Tabel 14Prissammenligning for manometre Kilde: Data er hentet fra ADVANSORS C5 system

compSUPER Low Cost prototypeManometre  236 0Besparelse 236

52

7.1.6 OliestyringDer er brugt en ny type oliestyring fra Emerson på Low Cost anlægget, hvilket har givet en besparelse på komponenter og en simplere montage. Styringen har virket efter hensigten på prototypen og er derfor en besparelse der, kan realiseres uden, at der er nogle alvorlige ulemper forbundet hermed.

Tabel 15 Prissammenligning for oliestyring Kilde: Data er hentet fra ADVANSORS C5 system

Olieniveau compSUPER Low Cost prototypesensor 1060 1950magnetventil 2225 indeholdt i sensor prisSamlet pris 3285 1950Besparelse 1335

Der er på prototypen anvendt en billigere styring fra CAREL i stedet for den Danfoss styring, der er anvendt ved compSUPER. Da der ved CAREL er tale om en pakkepris, hvor anlægsstyring, højtryksventil samt gasbypassventil er inkluderet. Danfoss prisen er angivet ud fra en samlet pris for de samme komponenter. Prisen på CAREL pakken er en formodet pris og der skal tages forbehold herfor. Der er dog som udgangspunkt en stor besparelse at hente.

Tabel 16 Prissammenligning for styring Kilde: Data er hentet fra ADVANSORS C5 system og elafdeling

Styring og ventiler til gasbypass og højtryksventil compSUPER

Low Cost prototype

Styringspakke Carel (prisen er ikke endelig) 5500Styring Danfoss 13521Besparelse 8021

Der har været problemer med kapaciteten på ventilerne, der følger med CAREL styringen og det er derfor nødvendigt med yderligere tests med en større type ventil, før det kan siges med sikkerhed, at CAREL’s ventiler vil kunne bruges.

53

7.1.7 Rør, ramme og bundpladeRør, ramme og bundplade er samlet under et, da prisen for rammen på et compSUPER anlæg indeholder en del af rørene. Derfor er prisen på ramme/bundplade i nedenstående tabel ikke direkte sammenlignelig.

Tabel 17 Prissammenligning for rør, ramme og bundplade. Kilde: Data er hentet fra ADVANSORS C5 system

compSUPER Low Cost prototypeRamme/bundplade 21000 3000Rør og fittings 6362 3166Samlet pris 27362 6166Besparelse 21196

Der skal tages forbehold for prisen på bundpladen, da det er en estimeret pris angivet af ADVANSOR’s tegnestue. Prisen for rør og fittings for Low Cost er med almindlige tykvæggede kobberrør i stedet for K65, hvor det er muligt.

7.1.8 ArbejdstidArbejdstider er vurderet ud fra samtaler med Peter Sørup Madsen, og Kristian Sørensen, der begge har god indsigt i produktionen. Der er tale om en vurdering og der må derfor tages forbehold herfor. Det lader dog ikke til, at der er de store forskelle med hensyn til arbejdstiden på de to typer anlæg. Heri ligger der dog, at der i de 21000kr., rammen koster til et compSUPER anlæg er indeholdt en del certifikat svejsearbejde på rør og at det tilsvarende rørarbejde på Low Cost anlægget er inkluderet i nedenstående tabel med det forbehold, at Kobberrørene bliver købt for bukket på mål.

Tabel 18 Sammenligning af omkostninger til arbejdstid. Kilde Vurdering lavet i samarbejde med Peter Sørup Madsen og Kristian Sørensen.

Arbejdstid compSUPER Low Cost prototypeMekanisk montage 3780 3780Isolering og klargøring 3150 3150Elektrisk montage 2940 1960Samlet pris 9870 8890Besparelse 980

54

7.1.9 Produktionsbesparelser ved Low Cost anlægNedenstående tabel giver et overblik over besparelserne ved de enkelte grupper.

Tabel 19 Besparelser samlet og for grupper ud fra tidligere tabeller

Gruppe compSUPERLow Cost prototype Besparelse

Besparelse i procent

Kompressorer 43513 51242 -7729 -17,8Eltavle 25776 12551 13225 51,3Sikkerhedsventiler 3048 2090 958 31,4Afspærringsventiler 3290 0 3290 100Olieniveau 3285 1950 1335 40,6Styring og ventiler til gasbypass og højtryksventil 13521 5500 8021 59,3Ramme/bundplade/rør 27362 6166 21196 77,5Arbejdstid 9870 8890 980 9,9Diverse 12082 11846 236 2Sum 141747 100235 41512 29,3

Som det ses af ovenstående tabel, er den største besparelsesgruppe ”Ramme/bundplade/rør”. Dette er den besparelse, som hovedideen ved dette projekt med at bruge kobberrør åbner mulighed for.

7.2 DriftsomkostningerPå grund af den funktionsmæssigt lignende opbygning af compSUPER og Low Cost anlæg, er større forskelle i energiforbruget og dermed i driftsomkostningerne begrænset til ekstra omkostninger ved Low Cost modellen med sammenbygget gaskøler, hvor der er en mindre gaskøler, end der normalt ville være valgt til et 40/10 anlæg. Hvilket medfører at Low Cost anlægget hurtigere vil komme til at arbejde i det transkritiske område, fordi gassen ikke køles lige så effektivt i en mindre gaskøler.

55

8 Konklusion

Der er fundet en fysisk udformning af Low Cost anlægget med eller uden monteret gaskøler. Denne del af anlægget (dimensioneret gaskøler og kabinet størrelse) er klar til at blive færdigudviklet af tegnestuen.

Ud fra analyse af 4 forskellige variationsmuligheder, for tekniskdesign af Low Cost anlægget, er det på et møde i udviklingsafdelingen valgt at gå videre med variation 1, der er den variation der ligger funktionsmæssigt tættest op ad compSUPER anlægget og derfor vil give de færreste komplikationer at konstruere. Dette er på trods af at det er den variation, der har den laveste COP af de 4 variationer. Der var dog på mødet også stor interesse for at gå videre, med en variation med parallelkompression i fremtiden.

Dimensionering af systemopbygning efter variation 1 for prototypen er udført og prototypen er konstrueret således, at de fornødne praktiske forsøg kan udføres.

Det er ved beregning konstateret at oliestyringen OM4 fra Emerson, ikke har tilstrækkelig høj Kv værdi. Der er fulgt op på dette og Emerson har leveret en speciel udgave af OM4, med større Kv værdi til test på prototypen.

Ved forsøg med prototype anlægget, er der fundet problemer omkring gasbypass ventilen samt problemer med støj og vibrationer. Det har også vist sig at der er monteret en forkert LT kompressor der er for stor, hvorfor det er nødvendigt at reducere dens maksimale omdrejningstal. Dette resulterer i at forsøgene ikke kan sige noget fornuftigt, omkring frekvensregulering på LT kompressoren.

Der er som nævnt konstateret problemer med gasbypassventilens flowrate der ikke er tilstrækkelig. Løsningen på dette problem er at få CAREL til at levere en ventil med større flowrate. Den nødvendige Kv værdi ventilen som minimum skal have for at opnå en tilstrækkelig flowrate er udregnet, således at CAREL kan orienteres herom.

Opbygningen af køleanlægget på en bundplade, har vist sig som en fejlslagen ide. Da det har givet utilsigtede problemer, med vibrationer fra kompressorerne der sætter pladen i svingninger, hvilket resulter i et uacceptabelt støjniveau. Der er gjort forsøg med vibrationsdæmpende fødder på kompressorerne, hvilket ikke har ført til en løsning på problemet.

Forsøgene med anlægget har vist at det er funktions og styringsmæssigt i orden, på nær de ovenstående problemer med støj og gasbypassventil. Der har

56

været særlig fokus på implementeringen, af en ny type oliestyringssystem. Denne har ved forsøg, vist sig at fungere tilfredsstillende. AC funktionen der er implementeret på en ny måde, i forhold til compSUPER, har ligeledes vist sig at fungere efter hensigten.

For overskuelighedens skyld er produktionsomkostningerne delt op i grupper, der har givet overblik, over hvor der er besparelser at hente og hvor der eventuelt sættes til med Low Cost modellen, i forhold til et compSUPER anlæg. Der har vist sig besparelser inden for samtlige grupper, på nær kompressorerne hvor det er en væsentlig fordyrende omstændighed, at der bruges frekvensregulering på LT kompressoren, da denne er væsentligt dyrere end 2 enkelte LT kompressorer. Da det samtidigt har vist sig at footprintet for Low Cost anlægget er stort nok til, at der kan placeres en ekstra kompressor, synes det dermed ikke oplagt at bruge frekvensregulering på LT kompressor, når det normalt ikke ville være valgt til et compSUPER anlæg.

Den gruppe med den største besparelse, er Ramme/bundplade/rør hvor der spares 21196kr. Her skal dog tages det forbehold, at der som tidligere nævnt har været problemer med bundplade designet.

Den samlede reduktion i produktionsomkostninger på 41512kr. Eller 29,3 % er af så væsentlig en størrelse, at hovedproblemet med at konstruere et Low Cost anlæg med en væsentlig reduktion i produktionsomkostninger, i forhold til et compSUPER anlæg, vurderes til at være løst.

57

9 Litteraturliste

Bertelsen, P., Christensen, K. 2002. Anvendelse af naturlige kølemidler i supermarkeder. Miljøstyrelsen

Gundtoft, S.,Lauritsen. Aa.,B.1995. Køleteknik. 1.udgave. København:Teknisk forlag.

http://www.advansor.dk/produkter/compsuper/

http://www.danfoss.com/Denmark/NewsAndEvents/Archive/ Industrial+Automation/2007/Magnetventiler/A16B0B75-F729-45DD-9A8E-D460407A5AA1.html

http://www.hbproducts.dk/en/products-links/hboc-oil-management

Lauritsen, Aa.B., Gundtoft, S., Eriksen, Aa.,B.2007. Termodynamik. 2. udgave. København:Nyt teknisk forlag

Larsen, K.,F.,1995. Køleanlæg-kredsproces beregninger kuldeteknologi køleolie kølemidler.

Larsen, T. og andre. 2000. Pumpe ståbi. 3. udgave. Viby J:Ingeniøren A/S

Nielsen, E.,2010. Noget om køleteknik. 4. udgave. Eigil.dk

58