Teknologisk Institut – Markant reduktion af energiforbrug og kølemiddelfyldning i industrielle ammoniakkøleanlæg

Køling er en af de mest energikrævende processer i industrien og bruges i fødevareproduktion over det meste af verden. Det naturlige kølemiddel ammoniak er det mest effektive kølemiddel til industriel køling og er derfor også klart det foretrukne. Der er dog et stort potentiale for at forbedre de ammoniakanlæg, man ser i dag – både hvad angår energieffektivitet og sikkerhed.

Ammoniak har været brugt som kølemiddel på det industrielle område i over 100 år, da det er særdeles effektivt og økonomisk fordelagtigt. Og med EU’s udfasning af F-gasser – de såkaldte syntetiske kølemidler med stor drivhuseffekt – er interessen for ammoniak stigende.

Den høje effektivitet og de gode termodynamiske egenskaber, der er forbundet med ammoniak, betyder, at anlæggene kan levere en høj ydeevne – selv ved høje udetemperaturer. Derudover er ammoniak yderst miljøvenligt. Ammoniak findes allerede i naturen og har et ozonnedbrydningspotentiale (ODP) og et globalopvarmningspotentiale (GWP) på nul.

Ammoniak er dog også et giftigt og svagt brandbart kølemiddel. Derudover har det en betydelig lugt, som kan medføre paniksituationer for dem, der ikke er bekendt med kølemidlet. Med henblik på at øge sikkerheden er der derfor stor interesse i at udvikle anlæg med lavere fyldninger end dem, man kender fra traditionelle ammoniakanlæg.

Nye systemløsninger på vej
I et igangværende projekt under titlen ’Fremtidens ammoniakkølesystemer’, som ledes af Teknologisk Institut, arbejdes der netop intenst med at udvikle komponenter, der kan styre de traditionelle anlæg hen imod en højere energieffektivitet og lavere fyldningsmængder. I anlægsdesign fra før 2014 ligger de specifikke fyldningsmængder typisk på ca. 5 kg ammoniak per kW kølekapacitet. I nyere design, hvor man har taget hensyn til fyldningerne, er man kommet ned på ca. 4 kg.

Ideen bag projektarbejdet er at minimere tryktabet ved at udvikle en kontinuerlig aktiv styring og kontrol, der sikrer drift ved minimal cirkulation af kølemiddel igennem selve fordamperen samt mindsker eller eliminerer behovet for at trække væske retur. Denne aktive styring vil minimere de energitab, der findes i de anlægsløsninger, der anvendes i dag.

I projektet arbejdes der på tre systemløsninger – nemlig CCR (Controlled Circulation Rate), DR (Dry Return) samt brug af microchannel-fordamper. Ved CCR-løsningen er forventningen at komme ned på en specifik vægt på 1,4 kg ammoniak/kW kølekapacitet, ved DR-løsningen at komme ned på 1,2 kg og ved microchannel-løsningen at komme endnu længere ned.

Controlled Circulation Rate
Denne løsning udvikles til allerede eksisterende industrielle kølesystemer, som har været installeret i de seneste 15 år. Her bruges manuelle reguleringsventiler, som indstilles til en fast åbningsgrad i anlæggets opstartsfase. I anlæggets levetid øges denne åbningsgrad kun, hvis der opstår problemer. Dette medfører, at anlægget kører med en noget højere cirkulationsgrad, end det er designet til, hvilket som oftest er omkring 3 for kølehuse. Der er ikke ualmindeligt at se nye anlæg med en cirkulationsgrad på mellem 4 og 7, når de har været i drift i et stykke tid. Det giver øgede driftsomkostninger og en væsentlig større fyldning end nødvendigt.

I den løsning, som er under udvikling, arbejdes der på at indstille cirkulationen af kølemiddel igennem fordamperen til den lavest mulige og holde den der under forskellige belastningsvariationer. På den måde kan der spares energi pga. et mindre tryktab i returrørene, og fyldningen kan sænkes på grund af den lavere cirkulation.

Løsningen er netop nu i gang med at blive testet i laboratoriet. Målinger har vist, at det med en state-of-the-art fordamper er muligt at reducere cirkulationsgraden til 1,5 uden at forringe kølekapaciteten, hvilket kan ses på grafen.

Denne løsning skal afprøves på en luftfordamper til en luft til vand-varmepumpeinstallation, hvor en fordamper uden styring bliver sammenlignet med en fordamper med den nye styring. Målinger fra denne opstilling forventes at blive foretaget i efteråret. 

Dry Return
Ved Dry Return-løsningen arbejdes der på at udvikle udstyr, der bruger væsken direkte fra højtrykssiden ind til fordamperen, og som sikrer, at gassen, der kommer ud fra fordamperen til sugeledningen, er tør, men uden overhedning. På den måde er det muligt at gøre anlæggene væsentligt billigere og enklere og samtidig forbedre effektiviteten i forhold til eksisterende løsninger.

Ved at bruge højtryksvæsken direkte ind til fordamperne slipper man for pumpebeholdere og pumper. Derudover kan rørstørrelser reduceres, hvilket medvirker til billigere anlæg med lavere driftsomkostninger.   

I forhold til denne løsning er vi i gang med at teste en specielt udviklet fordamper til ”Dry return” sammen med en sugegasveksler, som koger af den væske, som forlader fordamperen, inden den ledes til sugerøret. Væskemængden til fordamperen styres med en nyudviklet sensor, således at gassen kommer lidt våd ud af fordamperen. Ligesom ved CCR gælder det her, at når fordamperen skal reguleres tæt på grænsen til overhedet, bliver fordelingen ind til fordamperen meget kritisk, og skævfordelinger i væskestrømmen ind til fordamperen bliver meget tydelige. Dette kræver meget af fordamperdesignet og af den væskefordeler, som fordeler væsken ind til de forskellige løb i fordamperen.

En anden udfordring er ekspansionsventilerne. På grund af ammoniakkens høje latente varme bliver en lille bevægelse af ventilen til en stor ændring i kapaciteten. Det har vist sig, at de tilgængelige ventiler har været for grove, og der arbejdes på at løse denne udfordring.

Microchannel-fordamper
For yderligere at øge effektiviteten og mindske fyldningerne på fordamperne undersøges brugen af microchannel-profiler til fordampere. Der kigges på udfordringer som tilrimning og efterfølgende afrimning af fordamperne, ligesom det undersøges, hvilken indflydelse olie og vand har på fordamperen.

Der er lavet en række simuleringer for at finde ud af den mest hensigtsmæssige udformning af køleren med hensyn til dræning af vand efter afrimning samt effektivitet. Denne køler bliver netop nu bygget af Aluventa og forventes at være klar til test i slutningen af maj.

Størrelsen af fordamperen er valgt ud fra, at ydelsen skal blive den samme som for de andre fordampere, vi har testet, og at trykfaldet på luftsiden ikke bliver større end for de andre testede fordampere. Dette er gjort for at kunne sammenligne den nye microchannel-fordamper med en konventionel state-of-the-art fordamper, som bruges ude i industrien.   

”Ved projektopstart havde vi en konservativ forventning om, at vores nye løsninger ville generere en elbesparelse for anlæggene på 4 – 6 pct. sammenlignet med traditionelle oversvømmede industrielle anlæg. Her et lille års tid inden projektafslutning står det klart, at det estimerede potentiale vil kunne indfries”, fortæller Jóhannes Kristófersson, der er seniorprojektleder i Køle- og Varmepumpeteknik på Teknologisk Institut.

Med de nye løsninger bliver det muligt at sænke kølemiddelfyldningerne med op til  50 pct. med CCR-løsningen – og en del mere med DR-løsningen. Det betyder, at sikkerheden, som følge af den giftighed og brandfarlighed der er forbundet med ammoniak, forøges væsentligt.

Vil du vide mere? Så kontakt seniorprojektleder Jóhannes Kristófersson, Teknologisk Institut, på tlf.: 72 20 32 54 eller via e-mail jkri@teknologisk.dk

Teknologisk Instituts arbejde med fremtidens ammoniakkøleanlæg er støttet af EUDP. Øvrige projektpartnere er Danfoss, DTU, Innoterm, Aluventa, Scanico og Claus Sørensen.

Sammenlignet med traditionelle ammoniakanlæg har de nye systemløsninger vist sig at kunne øge både sikkerhed og energieffektivitet på anlæggene. På billedet ses en af de fordampere, der er blevet testet i projektet.

Det traditionelle køleanlæg – teknikken bag
Traditionelt bygges industrielle ammoniakanlæg som oversvømmede – dvs. med overcirkulation igennem fordamperen – da det giver en mere effektiv drift af selve fordamperen. Men det medfører også et højere tryktab fra fordamperen frem til kompressoren, idet der skal trækkes væske med retur fra fordamperen – med et betydeligt ekstra elforbrug til følge.
I anlæg, hvor der bruges andre kølemidler end ammoniak, anvender man som regel direkte ekspansion (DX). Denne teknologi medfører normalt også store tab pga. kravet om overhedning – også her med et betydeligt ekstra elforbrug til følge. Til gengæld giver teknologien mulighed for både enklere og billigere anlægsinstallationer. DX-teknologien har dog aldrig for alvor vundet indpas i industrielle ammoniakanlæg, da den er svær at styre pga. den ekstremt høje latente varme, som ammoniak har – og dermed lave massestrøm. Olie og især vand, som altid er indeholdt i industrielle ammoniakanlæg, giver også ekstra udfordringer, når DX-teknologien bruges til fordamperne.

FAKTA

• Ammoniak er det foretrukne kølemiddel i industriel køling.
• Ammoniak er et effektivt, miljøvenligt og økonomisk fordelagtigt kølemiddel.
• Ammoniak har gode termodynamiske egenskaber.
• Ammoniak er giftigt og svagt brandbart.