Úspory energie a ekologie pohled JDK

Transkript

1 Obchodně technický seminář 2013 V chladicích zařízeních Ing. Jiří Křivský ml. Čtvrtek Sportovní centrum v Nymburce 1

2 Obchodně technický seminář 2013 Důležité směry - Plovoucí kondenzační teplota - Vliv návrhu kondenzátoru - Podchlazování kapalného chladiva - Rekuperace tepla - Odtávání horkými parami - Volba kompresoru / zvolené chladivo - Řízení a regulace - Další důležité směry 2

3 Plovoucí kondenzační teplota Plovoucí kondenzační teplota - Řízení kondenzačního tlaku v závislosti na nastaveném dt od teploty okolí Refrigerant R407C Evaporating Temperature -5,0 C Suction Superheat 10,0K Liquid subcooling 2,0K Compressor Selected ZR108KCE-TFD Teplota okolí, C Kondenzační teplota, C Chladicí výkon, kw 20, ,9 16,8 Příkon kompresoru, kw 3,96 4,38 4,88 5,46 6,11 COP 5,3 4,6 3,9 3,3 2, Účinnost systému v závislosti na teplotě okolí Teplota okolí Kondenzační teplota, C Chladicí výkon, kw Příkon kompresoru, kw COP S rostoucí teplotou okolí stoupá kondenzační teplota, klesá chladicí výkon a stoupá příkon kompresoru 3

4 Plovoucí kondenzační teplota Diskuse Proč nestačí pouze nastavit nízkou kondenzační teplotu, proč používat plovoucí set kondenzačního tlaku v závislosti na teplotě okolí? 4

5 Plovoucí kondenzační teplota Příklad: Teplota okolí +30 C Požadovaná kondenzační teplota, set = 25 C Výsledek: ventilátory kondenzátoru poběží vždy naplno, a to i v případě, že jednotka je v provozu jen na část celkového chladicího výkonu (běží např. jen jeden kompresor z několika nebo kompresor běží na snížený výkon), případně by mohlo nastat, pokud by nebylo ošetřeno jinak, že ventilátory poběží, i když bude jednotka stát. Požadavky na systém by měli být smysluplné (nemá cenu chtít po systému něco, čeho není schopen dosáhnout) 5

6 Vliv návrhu kondenzátoru Vliv návrhu kondenzátoru - Porovnání návrhu při dt=15k a dt=10k Chladivo R407C Vypařovací teplota -5,0 C Přehřátí na sání 10,0K Podchlazení kapaliny 2,0K Typ kompresoru ZR108KCE-TFD 6

7 Vliv návrhu kondenzátoru dt=15k dt=10k Teplota okolí, C Kondenzační teplota, C Chladicí výkon, kw 20, ,9 16,8 20,9 20, ,9 Příkon kompresoru, kw 3,96 4,38 4,88 5,46 6,11 3,96 3,96 4,38 4,88 5,46 COP 5,3 4,6 3,9 3,3 2,7 5,3 5,3 4,6 3,9 3,3 Důsledky návrhu kondenzátoru s dt=15k místo dt=10k: Teplota okolí, C Vyšší kondenzační teplota o, K Nižší chladicí výkon o, kw 0 0,9 1 1,1 1,1 Vyšší příkon o, kw 0 0,42 0,5 0,58 0,65 Menší COP o, % 0 13,5 14,7 15,8 16,1 Zvýšení kondenzační teploty o 5K znamená pokles COP o přibližně 15% 7

8 Obchodně technický seminář 2013 Systémy s podchlazováním chladiva Na principu: - Vnitřní výměna tepla - Systém s kompresory EVI - vypařování části kapaliny za účelem podchlazení zbytku kapaliny - Podchlazování od teploty okolí (ze vzduchu), či jiným nezávislým zdrojem - Další systémy 8

9 Vnitřní výměna tepla Vnitřní výměna tepla 9 p=i2-i1, p =i2 -i1, q=i1-i4, q =i1-i4, qc=i2-i3, qc =i2 -i3, di = i3-i3 =i1 -i1

10 Vnitřní výměna tepla te=-10, tc=+40, dtsh=7k, R404A izoentropická účinnost = 0,773 entalpie i teplota t tlak p bod (kj/kg) ( C) di (kj/kg) (bara) 1 367,18-3 4,31 15, ,05 14, ,68 59,49 18, ,58 76, ,18 39, ,31 29, ,18-10, ,31-10,34 Přehřátí na sání 24,17K 15,87 Podchlazení kapaliny 10K měrný příkon p,p (kj/kg) měrný chladicí výkon q,q (kj/kg) COP Vyšší COP o: systém bez vnitřní výměny 38, ,81 systém s vnitřní výměnou 42,5 123,9 2,91 3,9% měrný kondenzační výkon qc,qc (kj/kg) Vyšší qc systém bez vnitřní výměny 146,5 systém s vnitřní výměnou 166,4 14% p=i2-i1, p =i2 -i1, q=i1-i4, q =i1-i4, qc=i2-i3, qc =i2 -i3, di = i3-i3 =i1 -i1 10

11 Vnitřní výměna tepla te=-35, tc=+40, dtsh=7k, R404A izoentropická účinnost =0,705 entalpie i teplota t tlak p bod (kj/kg) ( C) di (kj/kg) (bara) 1 352, ,64 15, ,28-8, ,25 75,17 18, ,6 95, ,18 39, ,31 29,66 15, ,18-35, ,31-35,37 měrný příkon p,p (kj/kg) měrný chladicí výkon q,q (kj/kg) Přehřátí na sání 26,18K Podchlazení kapaliny 10K COP Vyšší COP o: systém bez vnitřní výměny 71,84 93,23 1,30 systém s vnitřní výměnou 79,3 109,1 1,38 6,0% měrný kondenzační výkon qc,qc (kj/kg) Vyšší qc systém bez vnitřní výměny 165,07 systém s vnitřní výměnou 188,4 14% p=i2-i1, p =i2 -i1, q=i1-i4, q =i1-i4, qc=i2-i3, qc =i2 -i3, di = i3-i3 =i1 -i1 Závěry: - S nižší vypařovací teplotou roste význam vnitřní výměny - Vnitřní výměna zvýší teplotu na výtlaku, což by se dalo využít při rekuperaci - Upozornění příliš vysoká teplota na výtlaku by mohla mít negativní vliv na olej, vynutí - Zvýšení COP je za cenu nutnosti odvést více tepla v kondenzátoru 11

12 Ekonomizér EVI systém 12

13 COP COP COP Ekonomizér EVI systém Průběh COP při různých kondenzačních teplotách Porovnání kompresorů se systémem EVI a bez COP ZF40 při tc=20 C Vypařovací teplota 20 KVE 20 K4E COP kompresoru ZF40 při tc=40 C Vypařovací teplota 40 KVE 40 K4E COP ZF40 při tc=+55 C 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Vypařovací teplota 55 KVE 55 K4E Z grafů je vidět, že COP je vždy vyšší u kompresorů se systémem EVI 14

14 COP s EVI vyšší o Ekonomizér EVI systém COP s EVI vyšší o 60% 50% 40% 30% 20% 10% tc=20 C tc=40 C tc=55 C 0% Vypařovací teplota, C Závěry: - S nižší vypařovací teplotou roste význam EVI - U mrazíren roste výhodnost EVI - Vhodné také u TČ s nižší teplotou okolí roste výhodnost EVI - S vyšší kondenzační teplotou roste význam EVI - Obor chlazení v létě s vyššími teplotami okolí roste výhodnost EVI - Obor vytápění požadavek na vyšší tc zvyšuje výhodnost EVI 15

15 Rekuperace tepla Možnosti rekuperace u chladicích zařízení - Teplo z přehřátých par - Celé kondenzační teplo - Teplo kapaliny - Nejhodnotnější je teplo z přehřátých par, má nejvyšší tepelný potenciál - Pokud najdeme potřebu tepla, do kterého bychom mohli předat teplo z kapaliny, získáme tím teplo pro danou potřebu a navíc zvýšíme chladicí výkon a tím celkovou chladicí účinnost 16

16 Rekuperace tepla Návrh výměníku pro využití tepla z přehřátých par Pracovní podmínky 17

17 Rekuperace tepla 18

18 Rekuperace tepla SINGLE PHASE - Design Heat Exchanger : BX8Tx16 Fluid Side 1 : Fluid Side 2 : R404A (19,4 bar) Water 19 Flow Type : Counter-Current DUTY REQUIREMENTS Side 1 Side 2 Heat load kw 4,413 Inlet temperature C 70,00 35,00 Outlet temperature C 48,00 55,00 Flow rate kg/s 0,1630 0,1919 m³/h Max. pressure drop kpa 50,0 50,0 Thermal length 1,57 1,43 PLATE HEAT EXCHANGER Side 1 Side 2 Total heat transfer area m² 0,322 Heat flux kw/m² 13,7 Mean temperature difference K 13,98 O.H.T.C. (available/required) W/m², C 1430/1080 Pressure drop -total* kpa 42,5 0,778 - in ports kpa 3,41 0,0360 Port diameter mm 16,0 16,0 Number of channels 8 7 Number of plates 16 Oversurfacing % 33 Fouling factor m², C/kW 0,228 Reynolds number Port velocity m/s 8,84 0,277 Pozn.: - Výkon výměníku je dán z velké míry na straně chladiva - Na straně vody volíme vhodný teplotní spád (15-20K) a hledáme výstupní teplotu pokud možno co nejvyšší - Z chladicího výkonu výkon rekuperace tvoří: 4,413/17,7 = 25%

19 Odtávání horkými parami Typy: - Dvoutrubkový systém - Třítrubkový systém - S reverzací okruhu - S vracením do kapaliny 20

20 Odtávání horkými parami Dvoutrubkový systém 21

21 Odtávání horkými parami Třítrubkový systém s vracením do sání 22

22 Odtávání horkými parami Třítrubkový systém s vracením do kapaliny 23

23 Odtávání horkými parami S reverzací okruhu 24

24 Volba kompresoru / zvolené chladivo - Chladivo - Ekologie (skleníkový efekt GWP, vliv na ozón ODP) - Bezpečnost (toxicita, výbušnost) - Cena chladiva - Cena technologie - COP - Počet výkonových stupňů / požadovaná regulace výkonu - Návratnost při porovnání ceny a provozních nákladů (pořizovací cena, COP, náklady na servis, bezpečnost) 25

25 Volba kompresoru / zvolené chladivo Porovnání COP kompresorů Copeland scroll ZR, ZB,ZF, ZF EVI, pístových polohermetických kompresorů Standard a Stream s chladivy R404A, R407C,R134a a CO2 pro aplikaci chladírny a mrazírny 26

26 Volba kompresoru / zvolené chladivo Pracovní podmínky: te=-10, tc=45, dtsc=4k, dtsh=10k 2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 COP - kompresory scrol ZB, R404A COP 2,35 2,3 2,25 2,2 2,15 2,1 2,05 2 1,95 1,9 1,85 1,8 COP - kompresory scrol ZF, R404A COP Chladivo R404A, COP: - ZB cca 2 až přes 2,1 - ZF cca 2 až 2,29 27

27 DKM-7X DKJ-10X DKSJ-15X DKL-20X DLE-20X DKSL-20X DLF-30X DLJ-30X DLL-40X D2SA-45X D2SA-55X D2SC-65X D2SC-55X D3SA-75X D2SK-65X D3SC-75X D3SC-100X D3SS-100X D3SS-150X D4SF-100X D4SA-200X D4SH-250X D4SL-150X D6SF-200X D6SA-300X D4SJ-300X D4ST-200X D6SL-250X D6SH-350X D6SJ-400X D6ST-320X D6SK-500X D8SH-370X D6SU-400X D8SH-500X D8SJ-600X D8SJ-450X Volba kompresoru / zvolené chladivo Pracovní podmínky: te=-10, tc=45, dtsc=4k, dtsh=10k 2,3 COP - kompresory Copeland Standard, R404A 2,2 2,1 2 COP 1,9 1,8 1,7 28 Chladivo R404A, COP: Standard cca 1,9 až 2,2

28 Volba kompresoru / zvolené chladivo Pracovní podmínky: te=-10, tc=45, dtsc=4k, dtsh=10k 2,36 2,34 2,32 2,3 2,28 2,26 2,24 2,22 2,2 COP - kompresory Stream, R404A COP 2,6 2,55 2,5 2,45 2,4 COP kompresory ZF KVE, R404A COP COP - kompresory Copeland Stream, R407F 2,52 2,5 2,48 2,46 2,44 2,42 2,4 COP - R404A Stream 2,23 až 2,34 - R404A ZF KVE 2,52 až 2,59 - R407F Stream 2,41 až 2,5 29

29 Volba kompresoru / zvolené chladivo Pracovní podmínky: te=-10, tc=45, dtsc=4k, dtsh=10k 2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8 COP - kompresory scrol ZR, R407C COP 2,5 2,45 2,4 2,35 2,3 2,25 2,2 2,15 2,1 COP - kompresory Standard, R407C COP - R407C ZR 1,9 až 2,28 - R407C Standard 2,22 až 2,44 30

30 Volba kompresoru / zvolené chladivo 2,2 2,15 2,1 2,05 2 1,95 1,9 1,85 1,8 1,75 1,7 COP - kompresory ZB, R134a COP 2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8 1,7 COP - kompresory ZF, R134a COP COP - kompresory ZF, R134a 2,65 2,6 2,55 2,5 2,45 2,4 2,35 2,3 COP - R134a ZB 1,95 až 2,17 - R134a ZF 1,9 až 2,29 - R134a ZF KVE 2,41 až 2,59 31

31 DKM-7X DKJ-10X DKSJ-15X DKL-20X DLE-20X DKSL-20X DLF-30X DLJ-30X DLL-40X D2SA-45X D2SA-55X D2SC-65X D2SC-55X D3SA-75X D2SK-65X D3SC-75X D3SC-100X D3SS-100X D3SS-150X D4SF-100X D4SA-200X D4SH-250X D4SL-150X D6SF-200X D6SA-300X D4SJ-300X D4ST-200X D6SL-250X D6SH-350X D6SJ-400X D6ST-320X D6SK-500X D8SH-370X D6SU-400X D8SH-500X D8SJ-600X D8SJ-450X Volba kompresoru / zvolené chladivo 2,25 COP - kompresory Standard, R134a 2,2 2,15 2,1 2,05 2 COP 1,95 1,9 1,85 1,8 - R134a Standard 1,9 až 2,2 32

32 Volba kompresoru / zvolené chladivo 2,36 2,34 2,32 2,3 2,28 2,26 2,24 2,22 2,2 2,18 2,16 COP - kompresory Stream, R134a COP - R134a Stream 2,23 až 2,34 33

33 COP Volba kompresoru / zvolené chladivo COP R744 (CO2) kompresory Stream, te=-10 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Kondenzační/chladicí tlak (bar) 4MTL-12X 4MTL-15X 4MTL-30X Při kondenzační teplotě 31 C, což odpovídá tlaku 72bar (kritický bod) je COP cca 2,8 (R404A má při tc=31, te=-10 cca 3,2) Při vyšších okolních teplotách se COP rychle zmenšuje, tlak 90bar odpovídá cca kondenzační teplotě +45 C u normálních chladiv, za těchto podmínek je COP cca 0,7, což je v porovnání s chladivy HFC velmi malé. Při průměrné teplotě okolí v ČR cca 8 C však chladivo CO2 může fungovat, jeho nasazení bude ale spíše z důvodů ekologických, případně politických a legislativních, ne ekonomických. Konečný závěr ale vyžaduje hlubší zkoumání 34

34 Volba kompresoru / zvolené chladivo 35 Závěr porovnání COP pro vypařovací teplotu -10, kondenzační +45: - R404A ZB cca 2 až přes 2,1 - R404A ZF cca 2 až 2,29 - R404A Standard cca 1,9 až 2,2 - R404A Stream 2,23 až 2,34 - R404A ZF KVE 2,52 až 2,59 - R407F Stream 2,41 až 2,5 - R407C ZR 1,9 až 2,28 - R407C Standard 2,22 až 2,44 - R134a ZB 1,95 až 2,17 - R134a ZF 1,9 až 2,29 - R134a ZF KVE 2,41 až 2,59 - R134a Standard 1,9 až 2,2 - R134a Stream 2,23 až 2,34 - R744 Stream 0,7 Závěr: Všechny kompresory jsou si poměrně dost vyrovnané, velmi dobrou účinnost mají nově optimalizované kompresory Copeland typu Stream a kompresory ZF KVE s podchlazováním chladiva Pro chladivo R407C mají dobrou účinnost kompresory Copeland Standard Adekvátní ke kompresorům Stream od Copelandu jsou všechny nové pístové polohermetické kompresory Bitzer (řada ECOLINE) Volbu chladiva je nutné udělat také s pohledem na pracovní obálku kompresoru

35 Volba kompresoru / zvolené chladivo 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 Pracovní podmínky: te=-35, tc=45, dtsc=4k, dtsh=10k COP - kompresory ZF, R404A 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 COP 1 COP - kompresory ZF KVE, R404A COP 1,12 1,1 1,08 1,06 1,04 1,02 1 0,98 0,96 COP - kompresory Stream, R404A COP 36 - R404A scroll ZF 0,82 až 0,93 - R404A scroll ZF KVE 1,1 až 1,32 - R404A Stream 1 až 1,11

36 Volba kompresoru / zvolené chladivo - R404A Standard 0,62 až 1,1 37

37 Volba kompresoru / zvolené chladivo - R404A scroll ZF 0,82 až 0,93 - R404A scroll ZF KVE 1,1 až 1,32 - R404A Stream 1 až 1,11 - R404A Standard 0,62 až 1,1 Nejvyšší COP je s kompresory ZF KVE a Stream, některé kompresory Standard ale také vykazují vysoké COP, kompresory ZF mírně ztrácejí, nicméně mají výhodu v nižších investičních nákladech 38

38 Řízení a regulace Použití regulátorů s funkcemi: - Plovoucí kondenzační teplota - Plovoucí vypařovací teplota - Pulsování ventilátorů výparníku, když je dosažena požadovaná teplota - Noční režim - Elektronický vstřikovací ventil s adaptivním přehřátím (co nejmenším) - Odtávání dle stavu výparníku - Vypínání chlazení při otevřených dveří 39

39 Řízení a regulace Další důležité směry: - řízení výkonu zařízení - Kompresory scroll digital - Řízení otáček frekvenčními měniči - Nové motory EC elektricky komutované, odpadá jalová část - Monitorování zařízení za účelem optimalizace nastavení chladicího zařízení - Hospodárný provoz zařízení - Neplýtvat energiemi dveře s automatickým zavíráním - Vypínání chlazení při otevřených dveřích - Dveře vybavené tepelnou clonou (mechanická, vzduchová) - Osvětlení s nízkou spotřebou - Silnější izolace - minimalizace tepelných zisků 40

40 Řízení a regulace Děkuji za pozornost 41