Joris Kortstee Danfoss BV, Vareseweg 105, Rotterdam, Nederland

Transcriptie

1 Optimalisering van heetgasontdooiing in industriële verdampers bij vriescondities Anatolii Mikhailov Danfoss A/S, Albuen 29, Kolding, Denemarken Joris Kortstee Danfoss BV, Vareseweg 105, Rotterdam, Nederland

2 Inhoud 1. Introductie en korte samenvatting 2. Omschrijving van een typisch industrieel heetgasontdooisysteem 3. Inzoomen op de regelstanden 4. Evaluatie van de efficiëntie van heetgasontdooing 5. Bevestiging theoretische aannames door praktijkproef en metingen 6. Conclusies

3 1. Introductie Ontdooiing is een noodzakelijk kwaad. Verdamper volledig ingevroren In-efficiente ontdooiing Schone verdamper

4 1. Introductie Ontdooiing is een noodzakelijk kwaad. 1. Wat gebeurt er bij een aangevroren verdamper? Vocht uit de lucht vriest vast op lamellen Warmteoverdrachtαvermindert dramatisch Luchtflow daalt Capaciteit vermindert T (lucht/koudemiddel) stijgt Verdampingstemperatuur To daalt 2. Bij een slecht ontdooide verdamper:: Stijgt energieverbruik compressor Stijgt energieverbruik ventilatoren Daalt de systeem efficiëncy

5 1. Introductie Kunnen we efficiënter ontdooien? 1. Welke grootheden beïnvloeden de ontdooiefficiëntie? Persgasontdooi toevoerdruk: (1) Persgasontdooitijd (2) Ontdooi eindtemperatuur (2) Lekkagegraad (kg/s) van niet gecondenseerd persgas terug naar de LD afscheider (3) Ontdooiverliezen (naar de ruimte) Energieverbruik compressor als tijdens ontdooiing de persdruk moet stijgen 2. Welke ontwerpparameters beïnvloeden de ontdooiefficientie? Condensaatretour: niveau- of druk gecontroleerd (4) Separate ontdooiing lekbak/verdamper (5) Leidingontwerp 3. Welke parameters beïnvloeden de veiligheid tijdens ontdooiing? Opening- en sluittijden van heetgastoevoer kleppen en zuigkleppen (6) (Mechanische spanning van vloeistofslag) De manier waarop heetgas wordt ingespoten

6 2. Omschrijving van een typisch industrieel heetgasontdooisysteem

7 2. Typisch heetgasontdooisysteem NH3

8 2. Typisch heetgasontdooisysteem CO2 Apparte CO2 HD ontdooicompressor gekoppeld aan de zuig van de hoofdcompressor Compressor genereert extra koelcapaciteit voor het hoofdsysteem Compresor kan aan zijn limieten mbt verschildruk zitten CO 2 compressor CO 2 verdamper CO 2 afscheider Droge zuigleiding -40 o C (9 bar) - CO 2 - NH 3 Cascade condensor Persdruk: 5-10 grd.c = bar Verschildruk: bar

9 2. Typisch heetgasontdooisysteem CO2 Apparte CO2 HD ontdooicompressor gekoppeld aan de pers van de hoofdcompressor P HD compressor kleiner, efficiënter Zuigdrukregeling noodzakelijk CO 2 HP compressor CO 2 compressor CO 2 verdamper CO 2 afscheider Droge zuigleiding -40 o C (9 bar) - CO 2 - NH 3 Cascade condensor Persdruk: 5-10 grd.c = bar Verschildruk: bar

10 2. Typisch heetgasontdooisysteem CO2 Persgas generator Geen compressor benodigd Hoge opvoerhoogte toevoerpomp noodzakelijk Secundair systeem nodig tbv persgas generator CO 2 verdamper Droge zuigleiding -40 o C (9 bar) - CO 2 receiver CO 2 compressor CO 2 - NH 3 Cascade condensor CO 2 persgas Warmtewisselaar NH 3 persgas of alternatief 10

11 2. Typisch heetgasontdooisysteem Algemene vuistregels Zorg voor een zo leeg mogelijke verdamper voor starten ontdooiing Vermijdt vloeistof in de betreffende leidingen (vooral heetgas) -Vermijdt zakken in de leidingen -Drain evt condensaat Overweeg een geregelde ontdooiidruk TOEVOER Zorg voor gecontroleerde opening van heetgaskleppen Zorg voor drukontlasting na ontdooiing Spuit nooit heetgas in koude vloeistof (en vooral niet onder de vloeistofspiegel ) Zorg voor correcte timers tbv alle stappen bij het ontdooiproces Extra tbv CO2 (hoge drukken/verschildrukken) Let op de max. openings verschildruk (MOPD) voor toe/afvoerkleppen) Let op de max. ontwerpdruk (PS) Mechanische piekbelastingen

12 2. Typisch heetgasontdooisysteem Algemene vuistregels

13 2. Typisch heetgasontdooisysteem Beschrijving van een typisch heetgasontdooisysteem 1.Vloeistoftoevoer 2.Persgastoevoer 3.Condensaat retour 4.Natte zuigleiding

17 2. Typisch heetgasontdooisysteem Ontsooi sequentie

18 3. Inzoomen op de regelstanden Vloeistoftoevoer: minder koudemiddel toevoer (PWM) Geoptimaliseerde hoeveelheid koudemiddel in de koeler (CV) Optimalisatie koeler/zuig temperatuur Geoptimaliseerde verdeling minder koudemiddel in koeler (indirect effect)

19 3. Inzoomen op de regelstanden Inzoomen rondom de verdamper Persgastoevoer gecontroleerde en veilige inspuiting Pergastoevoer optimalisatie Gecontroleerde inspuiting (Minder mechanische stress) Persgas inspuiting mbv een bypassklep Pergastoevoer optimalisatie Gecontroleerde persdruk en inspuiting (Snellere ontdooiing en efficienter) Apparte ontdooicompressor (vooral bij CO2) Gecontroleerde persdruk en een geregelde inspuiting dmv een motorklep

20 3. Inzoomen op de regelstanden Inzoomen rondom de verdamper Persgastoevoer separate inspuiting koeler en lekbakspiraal Minder warmteverlies naar de ruimte Koeler zelf is eerder ontdooid en kan dan afesloten wporden van persgas. Lekbakspiraal moet langer ontdooid worden om rijp te doen smelten.

21 3. Inzoomen op de regelstanden Inzoomen rondom de verdamper Condensaatretour Minder warmteverlies naar de ruimte Focus op stoppen op ontdooi eindtemperatuur ipv op tijd (minder warmte uitstoot naar ruimte) Minder gas bypass naar de LD afscheider Minder compressor energie benodigd Stabiel ontdooiproces Schematische weergave van een vlottersysteem voor de condensaat terugvoer

22 3. Inzoomen op de regelstanden Inzoomen rondom de verdamper Condensaatretour

23 3. Inzoomen op de regelstanden Inzoomen rondom de verdamper Natte zuigleiding Minder mechanische stress en drukstoten in systeem 2 staps openende kleppen Motor gestuurde kleppen Beschouwingen: Openings / sluittijd Drukontlasting na ontdooing: 2 staps openende klep Minder drukverlies (Grote kv waarde) Persgas gestuurde kleppen (2 stap openend) Motor kleppen Kogelafsluiters Drukontlasting na ontdooing: motorklep

24 3. Inzoomen op de regelstanden Optimale ontdooiing Pulserend vloeistof inspuiten Gecontroleerde perssdruktoevoer Gecontroleerde persgasinspuiting Separate ontdooiing lekbak Condensaatretour: vlotters Natte zuig: 2 stap openende kleppen

25 4. Evaluatie van de efficiëntie van heetgasontdooing

26 4. Evaluatie van de efficiëntie van heetgasontdooiing Een bestaande vrieshuis is als voorbeeld genomen De regelstations van 1 koeler zijn omgebouwd met alle mogelijke kleppen en oplossingen om de genoemde theorieën te testen. Er is een theoretisch ontdooi energiemodel berekend. Tevens een inschatting gemaakt van de verwachte besparing Tabel1: Belangrijkste gegevens van het vrieshuis

27 4. Evaluatie van de efficiëntie van heetgasontdooiing Berekening van de benodigde smeltenergie voor rijp op een typische industriële koeler. 20 % lucht belemmering bij 1 mm rijpdikte en 10 mm lamelafstand Tabel 2: theoretische benodigde ontdooienergie om rijp te doen smelten (Volgens Pearson 2006)

28 4. Evaluatie van de efficiëntie van heetgasontdooiing Berekening van de benodigde smeltenergie voor rijp. Verschillende studies geven een warmteverlies aan tijdens ontdooien rond de 55% of meer (Hoffenbecker 2005). Lagere waarden zijn bruikbaar voor systemen voor een meer optimale ontdooiing, en hogere waarden voor minder optimale systemen. Parameters die voor het theoretische model in beschouwing worden genomen Warmteverlies naar omgeving Gas bypass langs ontdooidrukregelaar (vlotter/drukregeling/persdruk) Langere ontdooitijd tgv geen optimale persgastoevoer, timer settings

29 4. Evaluatie van de efficiëntie van heetgasontdooiing Berekening van de benodigde smeltenergie voor rijp bij een typische industriële verdamper met aangenomen verliezen. De berekening geeft een indicatie van een theoretische besparing bij geoptimaliseerde ontdooiing Tabel 3: Theoretisch extra benodigde ontdooienergie bij niet geoptimaliseerde ontdooiing

30 4. Evaluatie van de efficiëntie van heetgasontdooiing Berekening van de benodigde smeltenergie voor rijp met veronderstelde verliezen. 3 ontdooiingen per dag 18,32 kwh besparing per verdamper per ontdooiing 10 verdampers Tabel 4: Kosten van de extra ontdooienergie

31 5. Verificatie theoretische aannames door praktijkproef en metingen

32 5. Metingen in de praktijk (1) Doel is om mbv metingen de theoretische berekeningen betreffende mogelijke ontdooibesparingen te toetsen. Focus op Persgastoevoer Gebruik van bypassklep in toevoerleiding ipv 1 magneetklep (6) Gecontroleerde persgasontdooi toevoerdruk (1) Separate ontdooiing lekbak / verdamper (5) Natte zuigleiding 2 staps opende zuigklep aangestuurd met persgas (6) Einde ontdooitijd Op basis van verdamper opervlakte temperatuur ipv op tijd (2)

33 5. Metingen in de praktijk (1) A: Vloeistofmagneetklep sluit, fans blijven draaien Zuigklep sluit B: Bypass klep in de persgasleiding wordt geopend. C: klep (hoofdklep opent) D: Einde ontdooiing, fans draaien, zuigklep opent.

34 5. Metingen in de praktijk (1) Eerste conclusies: Persgas inspuiting Stabielere inspuiting / ontdooiing, meer, ontdooitijd vermindert Gescheiden ontdooiing van lekbak en koeler Natte zuigleiding Stabielere ontdooiing, ontdooitijd vermindert Condensaat overstort Juiste capaciteit overstort aangebracht, minder bypas gas Einde ontdooiing op basis van koeler oppervlakte temperatuur Ontdooitijd kon worden teruggebracht naar ongeveer 20 minuten ipv minuten.

35 5. Metingen in de praktijk (2) Focus op Afvoeren condensaat a) Drukgeregeld (4) - Condensaat afvoer geregeld middeld een intrededrukregelaar afgesteld op 5,2 bar (10 grd.c) - Persgastoevoer: minimaal 9 bar (25 grd.c) b) Condensaatniveau geregeld mb een vlotter (4) - Persgastoevoerdruk wordt gereduceerd naar maximaal (1) 5,3 bar (11 grd.c) - Lekbakspiraal en verdamper in serie geschakeld

36 5. Metingen in de praktijk (2) Condensaat wordt afgevoerd mbv vlotters. (4) De resultaten laten de gemeten temperaturen zien van de sensors op de bodem van de verdamper De verdampertempertemperaturen stijgen gelijkmatiger dan met een drukgeregelde ontdooiing De verdampertemperaturen liggen dichter bij elkaar Geen vloeistof ophoping in de koelers Geen onnodige opwarming van gecondenseerde vloeistof De druk na de vlotters is lager als dan met drukgestuurde ontdooiing Ontdooiing was na 15 min. klaar. (in de helft van de normale tijd) Vlotter geregelde ontdooiing

37 5. Metingen in de praktijk (2) Condensaatretour mbv vlotters (4) Geen problemen om condensaat naat de vlotters te leiden 0.6mm bypass orifice was voldoende Drukgeregelde ontdooing gaf een hogere intrededruk aan en geconstateerd werd dat veel persgas door de klep ging.

38 5. Conclusies Heetgasontdooiing is een zeer effectieve methode, echter de manier waarop het wordt uitgevoerd bepaald de efficiëntie en de veiligheid. Alle regelstatrions kunnen worden geoptimaliseerd vanuit efficientie of veiligheids overwegingen. De theoretische besparing zijn significant genoeg en kunnen een flinke energiebesparing opleveren. Verscheidene testen zijn uitgevoerd. Eerste indicatie zijn hoopgevend: 5% besparing zijn in dit vrieshuis mogelijk tov de het jaarlijkse energiegebruik. Er zijn meer testen nodig om de theoretische bevindingen volledig te bevestigen.