Reduceret energiforbrug gennem optimeret luftflow i køleanlæg
Udarbejdelse af guidelines og præsentation af værktøjer, der kan anvendes til at realisere energibesparelser ved opsætning af industrielle køleanlæg. Foto: Projektgruppen.
Med brug af termografi og Computional Fluid Dynamics udvikles metoder til en 15% energieffektivisering af industrielle køleanlæg og airconditionanlæg i kraft af forbedret flow gennem fordamper, kondensator og kølerum. Projektet har undersøgt mulighederne for at optimere luftflowet gennem fordampere og kondensatorer i industrielle køleanlæg. Der er udført et stort eksperimentelt arbejde med praktiske målinger på hhv. kanalophængte og rum-/vægophængte fordampere. Vekslerkapaciteten kan øges ved at vælge den optimale plenumlængde på fordamperens kølemiddelfordeling og yderligere 10 % ved at udligne skæv kølemiddelfordeling med tilpasning af modstand i de enkelte rør. Målinger har vist god overensstemmelse med CFD-beregninger. Det betyder, at numeriske beregningsværktøjer kan bruges til at designe mere energieffektive blæsere.
Dette projekt har udgangspunkt i energioptimering af industrielle køleanlæg. Med et elforbrug på ca. 676 GWh/år udgør industrielle køleanlæg ca. 17% af elforbruget til al køle- og fryseudstyr i Danmark.
En væsentlig komponent for denne type anlæg er det blæserarrangement, monteret på/ved en luft/væske-varmeveksler. Ca. halvdelen af de resterende 83% køle- og fryseanlæg (elforbrug: 50% af 3.264 GWh/år) i bl.a. handel og service samt husholdninger har også luft/væske-varmevekslere og vil dermed med fordel kunne udnytte resultaterne. For et køleanlæg findes der mindst to steder, hvor der benyttes luft/kølemiddelvarmeveksling - nemlig på kondensatordelen, der oftest er placeret uden på bygningen, der kræver køling, og på fordamperdelen, der er placeret tæt ved anvendelsen af den producerede kulde. Denne kan eksempelvis være placeret i en luftskakt ved luftkonditionering, eller som remote fordamper med blæser placeret inden i et kølerum.
For luft/kølemiddel-varmeveksling, som den skitserede, spiller følgende forhold ind, og de har direkte betydning for anlæggets samlede energioptag:
- Blæservirkningsgraden. Energiforbruget har typisk en størrelse, der er 10-15% af den samlede køleydelse i anlægget, hvorfor den direkte virkningsgrad er væsentlig. Samtidig bidrager blæserne også direkte til køleanlæggets samlede energioptag, idet de opvarmer den luft, fordamperen skal nedkøle, eller opvarmer den luft, der skal køle kondensatoren. Det første medfører, at den samlede kuldeydelse stiger, mens det sidste medfører, at systemvirkningsgraden falder.
- Luftfordeling på varmevekslerfladerne. Denne bidrager indirekte til systemets virkningsgrad, idet varmevekslerfladerne ikke udnyttes optimalt, hvis varmeovergangen ikke er homogent fordelt. En skæv luftfordeling på luftsiden af varmeveksleren vil også betyde en skæv fordeling af kølemiddelflow i veksleren. Dermed opnås ikke tilstrækkelig kølemiddelflow i forhold til optimal overhedning eller tilstrækkelig underkøling af kondensatoren, hvorved systemets samlede virkningsgrad falder.
Projektets formål er, vha. teoretiske og praktiske metoder, at undersøge mulighederne for optimering af placering af hhv. fordamper og kondensator i køleanlæg i forhold til blæser og ventil samt øvrige begrænsende forhold i relation til luft-tilgangen til veksleren.
Der er gennemført et litteraturstudie, hvor relevante kilder er undersøgt med kort resumé af indhold og konklusion. Endvidere er CFD (Computational Fluid Dynamics) undersøgt som værktøj i forbindelse med design af blæsere samt beregning af luftflow. Endvidere er der indledningsvis gennemført en basal analyse vedrørende indflydelsen fra skæv fordeling af luft for en fordamperflade set i relation til kuldeydelse og energiforbrug. Af eksperimentelt arbejder er der gennemført praktiske målinger på kanalophængte flerløbsfordampere for at se effekten fra en skæv luftfordeling på kølemiddelfordelingen. Endvidere er kapaciteten for rumophængte fordampere undersøgt, hvor placeringens indflydelse på kuldeydelse og energiforbrug er undersøgt. Endeligt er der gennemført praktiske målinger hos Thorfisk, og problemer omkring luftfordeling er undersøgt ved fuldskalaforsøg i laboratoriet.
Projektet 'Reduceret energiforbrug gennem optimeret luftflow i køleanlæg' har vist, at der er et besparelsespotentiale i eloptag ved at tænke luftfordelingen ind i designet af køleanlægget.
Projektet har anvist en række guidelines og værktøjer til at realisere disse. Projektet har vist, at numeriske beregningsværktøjer kan bruges i design af mere energieffektive blæsere, idet numeriske værktøjer tillader virtuelle test i et hurtigere og mere omfattende omfang end traditionelt eksperimentelt baserede metoder. Multiwing, der er projektdeltager og ventilatorproducent, er derfor i projektperioden begyndt at benytte den kommercielle kode CF-Design. De numeriske beregninger i projektet gennemført på Teknologisk Institut er foretaget med koden ANSYS/CFX. For de numeriske beregninger gennemført i projektet er det lykkedes at simulere fritflow-området for en udvalgt Multiwing blæser. Dette område er vigtigt, idet det er her, de fleste blæsere forventes at operere.
Projektet har beskæftiget sig indgående med fordamper-performance ved inhomogene luftfordelinger over varmeveksleren. Fordampere er typisk placeret i nytteområder for slutbrugeren, hvorfor der er begrænset plads eller adgang til fordamperen. Disse studier er foretaget dels teoretisk, dels eksperimentelt.
Resultaterne af de teoretiske studier viser, at luften skal være markant inhomogen, før dette i praksis betyder noget for køleanlæggets kapacitet og effektivitet. Der er blevet anvendt exergimetoder til denne analyse. Dette giver et godt billede af de overordnede ændringer i anlæggets COP. Analysen viser, at halvdelen af arealet skal være mere end 80% blokeret, før det har en effekt på mere end 5% på energiforbruget.
Analysen tager ikke højde for de afledte effekter (skæv kølemiddelfordeling), som er den ”hovedmistænkte” i forhold til varmevekslerens reducerede effektivitet ved skæv luftfordeling. Analysen bekræfter således antagelsen om, at det er de afledte effekter, der primært er skyld i forhøjet energiforbrug på køleanlæg ved skæv luftfordeling. Gennem forsøg udført på Teknologisk Institut er fundet en optimering på 10% af fordamperperformance ved optimalt valg af plenumlængde, dvs. afstanden mellem ventilator og fordamper, på kanalophængte fordampere. Dette var mest udtalt, når ventilatoren var placeret foran fordamperen. Mange anlæg i DK er sikkert klemt i størrelse, og det må derfor forventes, at der er en væsentlig elbesparelse at hente ved at iagttage dette under opførelse af nye anlæg, samt modernisering af ældre AC og køleanlæg.
Det er desuden observeret, at ved tilpasning af modstanden i de enkelte løb kan fordamperens ydelse forbedres med 10%. Forsøgene er gennemført ved relativt gode betingelser i luftfordeling. På indbyggede anlæg i DK må væsentlig større forbedringer af køleydelsen kunne realiseres med deraf følgende elbesparelser. Gennem forsøg på Teknologisk Institut er der blevet genereret gode guidelines for vægophængte fordampere i kølerum. Virkningsgraden forringes først væsentligt, når afstanden til bagvæggen er mindre end 20% af rotordiameteren på fordamperens blæser. Det er vist, at man i høj grad kan overføre tilsvarende guidelines fra vægophængte aksialblæsere. Dette betyder, at energiforbruget ikke vil forværres, men at kølerummet kan udnyttes i højere grad. Lindab har gennemført fuldskalaforsøg af luftfordelingen af en produktionshal på Thorfisk A/S, hvor det ideelle flow er blevet fastlagt med henblik på komfort og minimalt energiforbrug.
Emner
Mere information
335-016