12-11-2003 Rol van Novem:
Koelsysteem met directe expansie voorzien van compacte
platenwarmtewisselaar
Subsidieregeling
Meerjarenprogramma Intersectorale Nieuwe Technologieën (MINT)
Aard project
Onderzoeks- of ontwikkelingsproject
Officieel projectnummer
338420/0973
Jaar toekenning
1997
Projectstatus
Afgerond
Uitvoerder Wijbenga bv
Burg. Hondelinkstraat 3
4153 VC Beesd
Telefoon: (0345) 68 15 49
Fax: (0345) 68 25 24
Samenvatting
In het algemeen zijn de verdampers en condensors van middelgrote
industriële koelsystemen (tot 200 kW) uitgevoerd als
pijpenbundelwarmtewisselaars. Regeling van deze directe
expansiesystemen vindt plaats met een thermostatisch expansieventiel
(TEV). Oververhitting van 10 °C of meer is noodzakelijk vanwege een
relatief grote koudemiddelinhoud en daardoor relatief grote traagheid
van het systeem. Er geldt echter: hoe hoger de oververhitting, hoe
lager de energie-efficiency.
De systeemtraagheid is onder meer te minimaliseren door compacte
platenwarmtewisselaars toe te passen en daarmee de koelmiddelinhoud te
verkleinen. Met een regeltechnisch sneller systeem wordt het hierdoor
mogelijk elektronisch geregelde expansieventielen (EEV) toe te passen.
Wanneer koelcapaciteit en/of condensatietemperatuur veranderen
(bijvoorbeeld 's winters bij een luchtgekoelde condensor) is het
mogelijk om een lage condensatiedruk te realiseren en de
oververhitting te minimaliseren.
Wijbenga BV te Beesd heeft met een uitvoerig testprogramma volgens dit
nieuwe principe aangetoond dat een stabiel werkend systeem kan worden
verkregen. Er is voor vier verschillende koudemiddelen, te weten R507,
R407C, R22 en ammoniak, een minimale oververhitting mogelijk van 5 °C
op de regeling van het EEV. Daarbij is een goede verdeling van het
koudemiddel in de verdamper van essentieel belang gebleken, met name
bij toepassing van ammoniak.
Verder is voor een stabiel werkend systeem met ammoniak een
nauwkeurige selectie nodig van de smeerolie. De olie-eigenschappen
moet tegemoet komen aan het polaire karakter van ammoniak.
Het compacte systeem beperkt de investeringskosten, niet alleen voor
de warmtewisselaars maar ook voor het koudemiddel. Minder koudemiddel
betekent ook beperking van de veiligheidsrisico's bij calamiteiten.
Toepassingsmogelijkheden
De resultaten van dit project zijn van primair belang voor bedrijven
die ammoniakkoelinstallaties ontwerpen en installeren. Uiteindelijke
doelgroepen zijn met name levensmiddelenproducenten en loonkoel- en
vrieshuizen. Ook is het van (toenemend) belang voor ijsbanen, skibanen
en warmtepomp- en luchtbehandelingsinstallaties.
Omschrijving bedrijf
Wijbenga BV te Beesd is toeleverancier van componenten voor de
industriële koeltechnische branche. Afnemers zijn installateurs van
grote en middelgrote koel- en vriesinstallaties. Het zwaartepunt van
de activiteiten ligt op het ontwerpen, selecteren en leveren van
componenten voor ammoniak, CO2 en freon koelinstallaties.
Projectomschrijving
Aanleiding
In het algemeen zijn de verdampers en condensors van middelgrote
industriële koelsystemen (tot 200 kW) uitgevoerd als
pijpenbundelwarmtewisselaars. Regeling vindt plaats met een
thermostatisch expansieventiel (TEV) via meting van de oververhitting
van de koudemiddeldamp na de verdamper. Voldoende oververhitting
garandeert een vloeistofvrije dampstroom en vermijdt ernstige schade
door vloeistofdruppels in de compressor. Er geldt echter: hoe hoger de
oververhitting, hoe lager het rendement van de koude-opwekking. De
minimaal benodigde oververhitting is afhankelijk van:
* de regeltraagheid van de componenten van het koelsysteem;
* de regeltraagheid van het koelsysteem als geheel;
* fluctuaties in de condensatie- en verdampingsdruk.
De gangbare koelsystemen met pijpenbundelwarmtewisselaars hebben een
relatief grote koudemiddelinhoud en versterken daarmee de traagheid
van het systeem. Oververhitting van 10 °C is daarbij niet
ongebruikelijk. Selectie en toepassing van het TEV vindt plaats op
basis van een vast drukverschil tussen condensatie- en
verdampingsdruk. Wanneer koelcapaciteit en/of condensatietemperatuur
veranderen (bijvoorbeeld 's winters bij een luchtgekoelde condensor)
is er geen mogelijkheid om optimaal te opereren.
De systeemtraagheid is onder meer te minimaliseren door van compacte
apparatuur gebruik te maken en daarmee de koelmiddelinhoud te
verkleinen.
Met een regeltechnisch sneller systeem is een elektronisch geregeld
expansieventiel (EEV) toe te passen. Hierdoor is het mogelijk om bij
lage condensatietemperaturen ook een lage condensatiedruk te
realiseren. Dit minimaliseert de oververhitting bij een gemiddeld
lagere condensatietemperatuur en leidt daardoor naar verwachting -
rekening houdend met seizoensverschillen - tot gemiddeld 15% besparing
op het elektriciteitsverbruik van het koelsysteem. De coefficient of
performance (COP), de maat voor het rendement, zal in wintersituatie
zelfs van 3,11 naar 5,24 kunnen toenemen (41% besparing).
Ten tijde van de start van dit project was echter nog onvoldoende
bekend over het regelgedrag en ontwerpeisen van de geschetste
configuratie van compacte warmtewisselaars met een EEV, met name bij
toepassing in een koelsysteem met directe expansie. Dit vormt een
belemmering voor marktacceptatie en grootschalige implementatie van
dit systeem.
Onderzoek
Wijbenga heeft een uitvoerig testprogramma opgezet voor een
koelsysteem met compacte platenwisselaars in combinatie met een EEV.
Doel hiervan is de compacte warmtewisselaar (in combinatie met de EEV)
geschikt te maken voor toepassing in de koudetechniek en basiskennis
te verkrijgen omtrent:
* warmte-overdracht (k-waarden), weerstanden en proceseigenschappen
bij verdampende koudemiddelen;
* stabiliteit van het koudesysteem bij lagere condensatie- en
oververhittingstemperaturen.
In samenwerking met TNO-MEP heeft Wijbenga een testopstelling
ontworpen, gebouwd en onder verschillende condities getest.
De testunit is uitgevoerd als direct expansiesysteem en heeft een
koelcapaciteit van maximaal 270 kW. De condensor en verdamper zijn
beide van het type Q-plate1 en hebben een oppervlakte van
respectievelijk 11,3 en 21,1 m². Dit type platenwarmtewisselaar heeft
een drukvaste ronde stalen mantel waarin de platen zijn opgenomen.
338420_0973-foto3.gif
Foto 1: Q-plate warmtewisselaar voor DX-systeem
Onderzocht zijn vier verschillende koudemiddelen, te weten R507,
R407C, R22 en ammoniak. R22 mag weliswaar niet meer toegepast worden
voor nieuwbouwinstallaties, maar bestaande R22-systemen zullen
waarschijnlijk tot uiterlijk 2015 operationeel blijven. Water of een
organisch zoutmengsel fungeren als secundair koudemiddel.
338420_0973-figuur1.jpg Figuur 1: Opbouw van de Q-plate
warmtewisselaar
338420_0973 figuur2.jpg Figuur 2: Directe expansie in
platenwarmtewisselaar
Door koppeling van de testunit met de warmtewisselaarproefstand van
TNO-MEP is het systeem bij verschillende capaciteiten,
verdampertemperaturen en koelwaterdebieten van de condensor
onderzocht.
Er is voor alle geteste koudemiddelen een stabiel werkend systeem
verkregen met een minimale oververhitting van 5 °C op de regeling van
het EEV. Daarbij is een goede verdeling van het koudemiddel in de
verdamper van essentieel belang gebleken, met name bij toepassing van
ammoniak. Dit koudemiddel kent namelijk een relatief kleine
volumestroom.
Bij een lage condensatietemperatuur is tevens een lage condensatiedruk
- en daarmee energiebesparing - gerealiseerd.
De testen hebben tevens aangetoond dat de energiebesparing sterk
afhangt van:
* De grootte van het condensoroppervlak: verdubbeling van het
warmtewisselend oppervlak levert 7,5% besparing, terwijl de
meerinvestering met 2000 draaiuren is terugverdiend.
* De koelcapaciteit: de geproduceerde koude per toegevoerde kWh
neemt toe bij overgang van vollast naar deellast. Bij halvering
van de capaciteit treedt een energiebesparing van 20 tot 30% op,
hetgeen te danken is aan een 10 °C lagere condensatietemperatuur.
Voor een goed functionerend systeem bij vollast en deellast is een
zekere oververhitting noodzakelijk. De damp die de verdamper verlaat
blijkt echter 'gestratificeerd', dat wil zeggen: er zijn relatief
grote temperatuurverschillen over de doorsnee van de verdamperuitlaat.
Dit bemoeilijkt nauwkeurige meting van de oververhitting.
Ontwerpeisen
Uit de resultaten van de experimenten zijn een aantal ontwerpeisen
afgeleid. Speciale aandacht is onder meer nodig voor:
* een goede werking van de Q-plate verdamper met ammoniak is sterk
afhankelijk van de verdeling van het koudemiddel over de platen.
Daarbij is een voldoende hoge snelheid van de ammoniakdamp van
belang, gebruikmakend van een warmtewisselaar met een kleiner
doorstroomd oppervlak. Het aanbrengen van een verdeelbuis in de
verdamper verbetert de verdeling van het koudemiddel over het
oppervlak.
338420_0973 foto2.jpg Foto 2: Verschillende
typen verdelers
* de COP van het koelsysteem is rechtevenredig met de grootte van
het warmtewisselend oppervlak van de condensor;
* een stabiel werkend systeem met ammoniak vergt een nauwkeurige
selectie van de smeerolie. De olie-eigenschappen moet tegemoet
komen aan het polaire karakter van ammoniak. Aangezien minerale
olie de warmte-overdracht van de warmtewisselaars belemmert gaat
de voorkeur uit naar een synthetische olie. Verder is een goede
olie-retour gebaat bij voldoende snelheid van de ammoniakdamp in
de verdamper.
* aangezien de relatie tussen de ingestelde oververhitting en de
werkelijke waarde onvoldoende bekend is, is een
vloeistofafscheider (slokkenvanger) tussen verdamper en
compressoren noodzakelijk.
1) Q-plate is een geregistreerde handelsnaam van Wijbenga B.V.
Energie- en economische gegevens
Energiebesparing
De configuratie maakt het mogelijk de condensatietemperatuur aan te
passen aan de omstandigheden. De energiebesparing kan daardoor oplopen
tot 47%:
Onderstaande cijfers illustreren dit voor R22 bij 2/3 belasting,
verdampingstemperatuur 1,5 °C en oververhitting 5 °C.
Condensatietemperatuur:
33,5 °C: COP 3,4
28,5 °C: COP 4,1
23,5 °C: COP 5,0
18,5 °C: COP 6,5
Additionele voordelen
Het compacte systeem beperkt de investeringskosten, niet alleen voor
de warmtewisselaars maar ook voor het koudemiddel. De opvolgers van
R22, die geen of een verwaarloosbare bijdrage leveren aan de
aantasting van de ozonlaag of het broeikaseffect, zijn immers relatief
kostbaar. Het gaat daarbij met name om de middelen R507, R404A, R407
en ammoniak (R717).
Minder koudemiddel betekent ook beperking van de veiligheidsrisico's
bij calamiteiten.
Uit de testresultaten is ook gebleken dat het gebruik van ammoniak -
onder gelijke experimentele omstandigheden - circa 30% energie
bespaart ten opzichte van R22 en R407C. Verder verbruikt R507 circa
15% meer energie dan R22. Dit is voor een belangrijk deel toe te
schrijven aan een tweemaal zo hoge warmteoverdrachtscoefficient van de
Q-plate-condensor.
Overheidssteun
Novem stimuleert innovatieve projecten die gericht zijn op
energiebesparing en milieuverbetering. Het ontwikkelingsproject van
Wijbenga bv is gehonoreerd als onderzoek/ontwikkelingsproject binnen
de MINT-regeling (voorloper van Spirit).
Summary
Condensor and evaporator of a common direct-expansion cooling system
consist of shell-and-tube heat exchangers. A thermostatic expansion
valve (TEV) controls the amount of refrigerant flowing into the
evaporator in order to keep the superheating at the outlet of the
evaporator constant. Due to the system's inertia the superheating
amounts to approximately 10 °C thereby eliminating the risk of
damaging the compressor by fluid droplets.
Energy-efficiency can be substantially improved by the application of
plate heat exchangers and an electronic expansion valve (EEV). Based
on these components Wijbenga bv, located in Beesd, the Netherlands,
built a test facility. With refrigerants R22, R507, R407C and ammonia
the cooling system was able to operate at stable conditions.
The applied compact heat exchangers (type Q-plate) decrease the
system's inertia. Optimisation can be obtained by automatically
matching the condensation temperature to the actual situation. This
also allows the superheating to be set to a minimum of 5 °C. Based on
the results of the experiments, this new system leads to an
improvement of the coefficient of performance (COP). Depending on
cooling demand and outside conditions (summer/winter) it can save
typically up to around 47% of the electrical energy used by
conventional cooling systems using a constant pressure TEV.
The refrigerant content of this system is also substantially smaller
than that of the regular systems, thereby increasing safety.
Applications for the innovative system can be found mainly in
industrial refrigerating plants in the food processing industry and
companies that provide cold storage and refrigerated distribution
services (up to 200 kW).
---
Overige gegevens
Primaire sector
4533
Loodgieters-, fitterswerk; installatie van sanitair, centrale
verwarmings- en luchtbehandelingsapparatuur
Primaire sector
15
15 Vervaardiging van voedingsmiddelen en dranken
2923
Vervaardiging van machines en apparaten voor industriële koeltechniek
en klimaatregeling
63122
Opslag in koelhuizen e.d.
74204
Technisch ontwerp en advies voor elektro-, installatietechniek en
telematica
Techniek
D02
Ruimteverwarming en koeling
D03
Industriele koeling
Novem