Heetgasontdooiing in industriële verdampers deel 2

Transcriptie

1 Koude & luchtbehandeling RCC Tekst: Anatolii Mikhailov (a) en Joris Kortstee (b) Heetgasontdooiing in industriële verdampers deel 2 In het septembernummer van RCC K&L stond het eerste, inleidende, deel van dit tweeluik, waarin wordt ingegaan op diverse heetgasontdooimethoden in industriële verdampers met natuurlijk koudemiddel. In dit tweede en laatste deel wordt een aantal berekeningen van de benodigde energie en de daarbij behorende kosten voor het ontdooien met elkaar vergeleken. Om zicht te krijgen op de efficiëntieverbetering van de geoptimaliseerde ontdooiing ten opzichte van conventionele ontdooiing wordt een voorbeeld van een vrieshuis met een industriële koelinstallatie beschouwd. De belangrijkste parameters van het geanalyseerde vrieshuis zijn samengevat in tabel 1. Berekening De ontdooi-evaluatie van het systeem in kwestie werd uitgevoerd in twee stappen. Stap 1 Ten eerste is de benodigde energie voor het smelten van de rijp en het verwijderen van het water berekend. De berekeningen werden uitgevoerd op de wijze zoals voorgesteld door Pearson, De blokkering van de luchtdoorgang tussen de lamellen wordt verondersteld 20 procent te bedragen, wat met een lamelafstand van 10 mm resulteert in een 1 mm dikke rijplaag. De rijpdikte is één van de parameters die een grote invloed hebben op het ontdooirendement. Meer rijpdikte verbetert de efficiëntie van ontdooien, maar heeft een negatieve invloed op de efficiëntie tijdens het koelen. Het valt buiten het bestek van dit artikel om een waarde voor een optimale rijpdikte te vermelden. De evaluatie is uitgevoerd voor een standaard industriële verdamper van een bekende fabrikant. Energieverliezen tijdens het ontdooien zijn niet opgenomen in deze evaluatie. Volgens Hoffenbecker, 2005, zijn de verliezen tijdens het ontdooien rond de 55%, of meer. De verliezen zijn afhankelijk van de ontdooitijd, de temperatuur en de rijpdikte. Stap 2 Ervan uitgaande dat voor een geoptimaliseerd ontdooiproces de verliezen zijn zoals aangegeven Tabel 1. Belangrijkste gegevens van het vrieshuis Parameter Waarde Eenheid Aantal verdampers 10 Capaciteit/koelvermogen van iedere verdamper 100 kw Systeem-draaitijd 50 % Aantal ontdooiingen van elke verdamper, per week 21 Verdamping/condensatietemperatuur -35/+30 C Koudemiddel R717 COP van het systeem 1,5 Tabel 2. Berekening van de benodigde smeltenergie voor rijp Parameter Waarde Eenheid Lamelafstand 10 mm Rijpdikte 1 mm Verdamper 100 kw Gewicht 580 kg Rijpdichtheid 300 kg/m³ Oppervlakte 450 m² Gewicht rijp 135 kg Begintemperatuur -35 C Eindtemperatuur +5 C Specifieke wamte rijp 2,1 kj/kg*k Soortelijke warmte water 4,2 kj/kg*k Specifieke smeltwarmte 336 kj/kg Energie verwarmen van de rijp tot 0 ºC kj Energie smelten van de rijp kj Energie opwarmen water tot +5 C kj Totale benodigde warmte om de rijp te smelten kj 27

2 RCC Koude & luchtbehandeling Figuur 4. Geoptimaliseerde ontdooi-systeemconfiguratie. door Hoffenbecker, 2005, wordt als tweede stap van de ontdooianalyse een vergelijk gemaakt met een niet-geoptimaliseerde verdamper. De belangrijkste uitkomsten hiervan zijn weergegeven in tabel 3. Het leidingschema voor een standaardsysteem is afgebeeld in figuur 1, deel 1, en voor een geoptimaliseerd systeem in figuur 4. De berekeningen (zie tabel 3) zijn gebaseerd op een aantal veronder- stellingen en worden uitgevoerd voor slechts één specifiek systeem. De resultaten geven aan dat een nietoptimale heetgasontdooiing naast een potentiële storingsbron vooral de bron is van een verhoogd energiegebruik. Het is duidelijk, dat hoe meer ontdooiingen er nodig zijn, hoe hoger het belang is van de juiste afsluiterconfiguratie rond de verdamper. Terwijl voor sommige Tabel 3. Vergelijking van de ontdooi-efficiëntie per verdamper Ontdooisysteem Standaard Geopti maliseerd Eenheid Energieverspilling naar de vriesruimte, door de hogere persgastemperatuur % Totaal benodigde energie kj Gas ontsnapt naar de condensaatleiding 15 0 % Ontdooi-energie inclusief ontsnapt gas Ontdooitijd-toename te wijten aan niet optimale heetgastoevoer naar de verdamper en verkeerde instelling van de tijd 10 % Ontdooi-energie includief ontsnapt gas en verkeerde instelling kj Verschil in ontdooi-energie kj Verwarming COP bij -35 C (COP koeling +1) 2,5 Gebruikte compressie-energie kj Herberekend 18,325 kw/h Tabel 4. Samenvatting van de gegevens, alsmede een evaluatie van de financiële gevolgen van niet optimaal ontdooien Energiegebruik compressoren kw*h/jaar Extra energiegebruik inefficiënte ontdooiing kw*h/jaar kw*h-prijs 0,1 Euro/kW*h 'Overbodig' energiegebruik 6,85 % Kosten 'overbodige' ontdooi-energie Euro/jaar vrieshuizen met eenmaal per week ontdooien het extra energie-effect minimaal is, kan het voor vriesinstallaties met meerdere ontdooiingen per dag in een extra energierekening resulteren die vijf procent of meer bedraagt van het energiegebruik van de geïnstalleerde compressoren. En dan zijn de effecten nog niet in rekening gebracht die ontstaan bij de slecht ingeregelde systemen die werken met hogere condensatietemperatuur om de ontdooiing te realiseren. De bovengenoemde berekening zoals aangegeven in tabel 4 geldt vooral voor een ammoniaksysteem. Bij gebruik van CO 2 zou een extra ontdooicompressor moeten worden gebruikt, waardoor de energiebalans uiteraard wijzigt. In het geval van ammoniaksystemen is een algemene verhoging van de persdruk ten behoeve van het ontdooiproces niet aan te raden. Bevestiging in de praktijk Test 1 Om de overwegingen en berekeningen te staven zijn een aantal praktijkanalyses uitgevoerd. In het geval van test 1 betreft het een verdamper in een grote ammoniakinstallatie, met meerdere opties voor het toevoeren van heetgas evenals voor het afvoeren van de gecondenseerde vloeistof. De figuren 5 en 6 laten zien dat dit beslist geen normale regelstand is, maar dat het duidelijk om een proefopstelling gaat. Het basis ontdooisysteem in de installatie had een standaard magneetklep in de zuigleiding, een magneetklep in de heetgasleiding en een verschildrukregelaar (overstort) in de condensaatleiding. Doordat de eigenaar van de installatie een oplossing zocht voor de soms heftige drukstoten in het systeem tijdens en na het ontdooien was het mogelijk om de diverse opties in één keer aan te brengen. Als eerste stap zijn een tweestaps-heetgastoevoer magneetklep in combinatie met een tweestaps-magneetklep aan de zuigzijde getest. 28 OKTOBER e JAARGANG

3 Koude & luchtbehandeling RCC Figuur 5. Schema van opstelling test 1. WIE ZIJN WIJ? AL 40 JAAR MARKTLEIDER OP HET GEBIED VAN VERHUUR VAN AIRCONDITIONING, VERWARMING, ONTVOCHTIGING EN VENTILATIE AAN DE ZAKELIJKE MARKT Met onze producten en diensten ondersteunen wij onze klanten bij de uitdagingen die zij in de dagelijkse praktijk tegenkomen. Of het nu gaat om een geplande situatie of een noodgeval, wij zorgen ervoor dat het zo snel, deskundig, professioneel en kostenbesparend mogelijk wordt opgelost. AIRCONDITIONERS CHILLERS Figuur 6. Regelstand test 1. Meetconclusies test 1 De pulsaties bleven uit en de effectieve ontdooitijd (C) met de nieuwe set-up is van de oorspronkelijke minuten teruggebracht tot ongeveer 20 minuten. Dat geeft een goede indicatie van de energiebesparing doordat de vriescel minder opwarmt. In de testopstelling zijn een aantal temperatuursensoren aangebracht en de meeste daarvan tonen aan dat de ontdooitemperaturen tegelijkertijd stijgen en een goed beeld van het einde van de ontdooiing geven. Een ontdooibeëindiging op basis van temperatuur zou de ontdooitijd nog meer verkort hebben. De testen konden niet worden afgerond als gevolg van bedrijfsmatige problemen en zijn voortgezet in een tweede installatie van nagenoeg dezelfde samenstelling. Test 2 Bij test 2 lag de focus op het afvoeren van het condensaat en zijn de volgende ontdooimethoden vergeleken; a) Persgas toevoer op een minimum druk van 9 bar (25 C) en condensaat afvoer via een intrededruk gestuurde regelklep op 5,2 bar (10 C). b) Persgas toevoer wordt geredu- BOILERS 24/7 SERVICE andrewssykes.nl 29

4 RCC Koude & luchtbehandeling Figuur 7. Druk- en temperatuurverloop persgasontdooiing test 1. ceerd van persdruk naar 5,3 bar (11 C) en condensaatafvoer wordt gedaan via een vlotter. Toevoer van het persgas werd gedaan met één magneetklep, dus geen soft-opening bypass. Lekbakspiraal en verdamperblok zijn op de standaard manier in serie geschakeld. Effectief had het ontdooien na circa 15 minuten gestopt kunnen worden maar is vanwege de test langere tijd doorgezet, zoals in de figuren 8 en 9 te zien is. Meetconclusies test 2 Uit test 2 kwam duidelijk naar voren dat bij de condensaatafvoer via de vlotter de verdamper temperaturen gelijkmatiger stijgen en deze temperaturen dichter bij elkaar liggen. Het toevoeren van persgas op een lage druk heeft geen negatieve invloed op het ontdooiproces. Tijdens de condensaatafvoer met de drukgeregelde klep werd vastgesteld dat er aanzienlijk veel persgas door deze klep werd afgevoerd wat ook geïllustreerd wordt door de hoge druk na de condensaat overstort klep. Deze hoge druk kan alleen maar verklaard worden door stromingsweerstand in de lange afvoerleiding. Het kwantificeren ervan was geen onderwerp van de test maar het geeft aan dat dit een duidelijke verliespost is. Verklaring bij figuur 7: Op de Y-as boven de zwarte lijn staat de druk in bar(a) en eronder de temperatuur in C. De tijdschaal op de X-as is de aangegeven waarde * 2 seconden Temperatuur verdamperoppervlak, blauw, roze, geel en groen Drukken weergegeven door paars ( heetgas) en bruin ( verdamper) A. Magneetklep in vloeistofleiding is gesloten, de ventilatoren draaien en tenslotte wordt de magneetklep aan de zuigleiding gesloten B. Omloop of bypass magneetklep in de heetgasleiding wordt geopend C. Hoofd-magneetklep in de heetgasleiding wordt geopend D. Einde ontdooiing, magneetklep in zuigleiding opent 1e stap. Aan het einde van de grafiek wordt de 2e stap geopend, daarna opent de vloeistoftoevoer naar de verdamper en starten de ventilatoren. Conclusie Het artikel geeft een overzicht van de verschillende regelmogelijkheden voor heetgasontdooisystemen. Verschillende opties die nu beschikbaar zijn werden vergeleken met een aantal uitgevoerde analyses en ook zijn er voorkeuropties Figuur 8. Grafiek ontdooiproces met drukgeregelde condensaatafvoer. Verklaring figuren 8 en 9: Y-as links geeft de temperatuur in C voor de verdamperoppervlaktetemperatuur, streeplijnen zwart, rood en groen voor respectievelijk rechtsonder, midden onder en linksonder. Y-as rechts geeft de druk in bar(e) voor drukken gemeten voor en na de persgastoevoer ( zwart en rood) en voor en na de condensaatafvoer (groen en paars). X-as: tijd in seconden. 30 OKTOBER e JAARGANG

5 Koude & luchtbehandeling RCC Gafco-Altron is al jarenlang uw vertrouwde koudespecialist Figuur 9. Grafiek ontdooiproces met vlotter als condensaatafvoer. voor compressoren en aggregaten: aangegeven. De belangrijkste conclusie van de analyses is dat, als het ontdooien op een optimale manier plaats vindt, er een potentiële energiebesparing van rond de 5% of meer van het totale energiegebruik van het koel-vriessysteem kan worden gerealiseerd. Deze vergelijking is gemaakt op basis van drie ontdooiingen per etmaal bij centrale systemen zoals die tegenwoordig worden gebruikt. In het geval van niet of slecht ingeregelde systemen, en die komen helaas nog veel voor, is het totale besparingspotentieel uiteraard nog groter. Over de auteurs Anatolii Mikhailov (a) is Head of Product Management Industrial Refrigeration en Joris Kortstee (b) is Sales Manager Industrial Refrigeration Benelux, Nordic, UK. RCC K&L Visit us at Chillventa at stand in hall 4 voor condensors en koelers (ook CO 2 ): Referenties Hoffenbecker N., Hot Gas Defrost Model Development and Validation, International Journal of Refrigeration, January 2005, Pearson A., Defrost Options for Carbon Dioxide Systems, 28th Annual IIAR Meeting, March 2006 Stoecker W.F., Energy Considerations in Hot-Gas Defrosting of Industrial Refrigeration Coils, ASHRAE 1983 Searle Visit us at Chillventa at stand in hall 4 Meer informatie: (a) Danfoss A/S, Albuen 29, Kolding, Denemarken E: amik@danfoss.com (b) Danfoss B.V., Vareseweg 105, 3047 AT, Rotterdam E: joris.kortstee@danfoss.nl Gafco-Altron maakt het u gemakkelijk. Bezoekt u onze website voor het gebruiksvriendelijk bestellen van onze producten via extranet. 31