Kulde nr 4

DANMARK DANMARK
derne, og som endnu aldrig er blevet anvendt i kommercielle
fryse- og køleanlæg, er ventiler eller kapillarrør. I næsten alle
ekspansionsventiler er den trykforskel, som de reducerer, den
primære faktor, der påvirker volumenstrømmen. I illustration
3 vises køleeffekten af en termostatisk ekspansionsventil med
3 dyser af forskellig størrelse afhængigt af den indstillede
trykforskel.
3: Køleeffekten af 3 termiske ekspansionsventiler af forskellig størrelse.
Druckdifferenz delta p (bar) = Trykforskel delta p
Verdampfungsleistung = Fordampningseffekt
Metoder til beregning af den lavest
mulige kondenseringstemperatur
Til dimensionering af kondensatorer og fordampere angives
altid værdierne på kompressortilslutningernes side som relevante
trykangivelser til omregning i de pågældende ligevægtstemperaturer.
Det betyder, at kondenseringstemperaturen for
kondensatoren angives som nominel værdi ved indgangen til
kondensatoren. Derimod angives fordampningstemperaturen
ved udgangen fra fordamperen. Disse definitioner er hensigtsmæssige,
da tryktabet ved faseskift afhænger af enheden
og ikke skal belastes med den termodynamisk størst mulige
temperaturforskel. Alle relevante standarder følger også dette
princip. Fra kølemidlet strømmer ind i kondensatoren, til den
strømmer ud af fordamperen, skal der overvindes flere tryktab.
pc = p0 + p rørledning + p ekspansionsventil
+ p fordelere + p fordamper +pkondensator
pc = kondenseringstryk
p0 = fordampningstryk
p rørledning = tryktab i væskeledninger og armaturer
p ekspansionsventil = tryktab i ekspansionsventil
p fordelere = tryktab i kølemiddelfordeler
p fordamper = internt tryktab i fordamper
pkondensator = internt tryktab i kondensator
Kondenserings- og fordampningstemperaturen forudsættes
kendt i det første trin. De interne tryktab i kondensatoren og
fordamperen beregnes og angives i Güntners projekteringsprogram
GPC. De er dog normalt så små, at man kan se bort
fra dem. Tryktabet i kølemiddelfordamperen beregnes også
i projekteringssoftwaren GPC. Tryktabet i væskeførende rør
og armaturer skal beregnes af anlægsplanlæggeren. På den
78 Kulde og Varmepumper 4 | 2011
måde kan trykforskellen for ekspansionsventilen bestemmes.
Med de ekstra angivelser, f.eks. kølemiddeltype og krævet
køleydelse, kan man således vælge en passende ekspansionsventil
ud fra producenternes data.
4: Dimensionering af en termisk ekspansionsventil og lavest mulig
tilladt trykforskel.
Dimensioneringspunktets position i illustration 4 fastlægges
ud fra, at ekspansionsventilen med de oprindeligt fastlagte ydre
betingelser f.eks. har en trykforskel på 6 bar til rådighed, og at
fordamperen skal have en nominel ydelse på 5 kW. Man ville i så
fald vælge dyse 8 som den mindste dyse, med hvilken man kan
opnå den krævede køleydelse. Denne ventils nominelle effekt er
i denne tilstand ca. 6 kW. Da fordamperen kun kan aflede 5 kW,
indstiller ventilen sig til en åbningsgrad på ca. 85 %. Ekspansionsventilen
kunne også nå den nominelle køleeffekt på 5 kW med
en trykforskel på 3,5 bar. I denne tilstand ville ekspansionsventilen
stå helt åben med en åbningsgrad på 100 %. Det ville samtidig
betyde, at kondenseringstrykket kunne sænkes med 2,5 bar,
uden at den nominelle køleeffekt ville blive for lav. Køleanlægget
kunne køre med en højere virkningsgrad. Hvis man valgte
en større dyse, kunne kondenseringstrykket sænkes med hele 5
bar. Med den valgte dimensionering (Dp = 6 bar) ville det dog
betyde, at ventilen skulle køre med en åbningsgrad på kun 50 %.
Det er et grænsetilfælde for termostatiske ekspansionsventiler,
idet reguleringskvaliteten falder, når åbningsgraden mindskes.
Valget af en ekspansionsventil er derfor altid en optimeringsopgave,
der skal løses ved at vælge mellem god regulering af
ekspansionsventilen og lavest mulig trykforskel. Der skal endda
også tages højde for kølestedets belastningskurve. Forventes der
hurtige og større belastningsudsving i køledriften, bør der vælges
en mindre dyse, der er nemmere at regulere. I kølelagre, der
kun opfyldes sjældent, kunne man f.eks. også vælge den større
dyse.
Så snart dysen er valgt, er den lavest påkrævede trykforskel
også fastlagt og dermed også kølestedets lavest mulige kondenseringstemperatur.
Da alle Frigenfordampere fra Güntner kan bestilles til kølemidlerne
R134a og R404A/R507 med monteret termostatisk eks-
pansionsventil, har Güntner udvidet sin projekteringssoftware
GPC med et TEV-modul. Med dette modul kan man nu finde
den præcise dimensionering af termostatiske ekspansionsventiler
ud fra driftsbetingelserne uden at skulle skifte til et andet
program, f.eks. fra producenten af en ekspansionsventil, og derefter
indtaste de ydre betingelser igen. I dette modul beregnes og
udlæses den lavest mulige kondenseringstemperatur og åbningsgraden
i dimensioneringstilstanden også.
I et køleanlæg med flere kølesteder og flere fordampere er den
lavest mulige kondenseringstemperatur fast defineret for hver
fordamper. Fordamperen med den højeste minimale kondenseringstemperatur
bestemmer således den minimale kondenseringstemperatur,
der gælder for hele køleanlægget. Hvis bare en
enkelt ekspansionsventil er dårligt valgt, er der fare for, at kondenseringstemperaturen
for hele anlægget øges, og det giver et
større og frem for alt unødvendigt højt energiforbrug.
Udetemperaturens påvirkning af kondenseringstemperaturen
ud fra virkelige temperaturforløb
Som allerede nævnt i det foregående afsnit er udetemperaturen
og dermed luftindgangstemperaturen til kondensatoren
afgørende for kondenseringstemperaturen. I illustration 6 og
7 vises middelværdierne for udetemperaturen pr. time i tre
europæiske byer i løbet af 1 år på 2 forskellige måder.
I illustration 6 vises timeantallet for et referenceår for hver
temperatur i trin på 1 Kelvin. Det fremgår, at antallet af timer
med meget lave eller meget høje temperaturer er relativt lavt
i London sammenlignet med de to andre byer München og
Madrid. Her er klimaet altså mere ensartet uden ekstreme vær-
6: Dimensionering af en termisk ekspansionsventil og lavest mulig
tilladt trykforskel.
7: Dimensionering af en termisk ekspansionsventil og lavest mulig
tilladt trykforskel.
dier. Den gennemsnitlige årstemperatur er lavest i München
og højest i Madrid. Alle disse egenskaber påvirker køleanlæggets
energiforbrug.
I illustration 7 opsummeres antal timer, der ligger over en
bestemt udetemperatur. Denne visningsform kan også kaldes
kumulativ hyppighedsfordeling af temperaturen. Denne illustration
er meget velegnet til at vise virkningerne af at sænke
kondenseringstemperaturen.
8: Virkningerne af en reduceret, reguleret kondenseringstemperatur
med München som eksempel.
I illustration 8 forklares virkningerne af en sænket kondenseringstemperatur
ud fra udetemperaturfordelingen i
München (blå streg).
Under antagelse af, at der i løbet af samtlige 8.760 timer i et
år skal opnås en konstant køleeffekt, påvirkes temperaturforskellen
mellem kondenserings- og luftindgangstemperaturen
primært af kondensatorens størrelse og varmeoverførselsforhold
(se formel (3)). I det tilfælde, der vises i illustration 8,
er denne temperaturforskel 15 K. Den teoretisk nødvendige
kondenseringstemperatur følger lufttemperaturen med samme
forskel i hele perioden. Under hensyntagen til virkelige, temperaturafhængige
varmeoverførselskoefficienter og andre teknisk
betingede bivirkninger vil denne forskel udvise mindre afvigelser
fra den værdi, der oprindeligt blev antaget at være konstant.
Disse afvigelser er dog så små, at de overhovedet ikke påvirker
det generaliserede eksempel. I tilfælde af en faldende kølebelastning
ved faldende udetemperaturer, f.eks. i klimaanlæg, kan
en reduceret forskel beregnes ved hjælp af formel (3), men af
hensyn til overskueligheden ser vi ikke nærmere på det her.
Da en minimal kondenseringstemperatur skal overholdes
på grund af de anvendte ekspansionsventiler, er ekspansionsventiler
af forskellig størrelse blevet indtegnet med hhv. en
gul og en lyseblå streg. Der blev beregnet en minimal kondenseringstemperatur
på 40° C for en lille ekspansionsventil
(gul). Det betyder, at kondensatorventilatorerne kun kan køre
med fuldt omdrejningstal i få, meget varme timer om året.
Allerede efter de 200 varmeste timer skal omdrejningstallet
reduceres for at kunne opretholde den lavest mulige kondenseringstemperatur
på 40° C. Køleanlægget kører således uafhængigt
af udetemperaturen med en COP-værdi på 2,7. Ved
anvendelse af større ventiler kunne man f.eks. opnå en lavest
mulig kondenseringstemperatur på 25° C. Det betyder, at kondenseringsventilatorerne
kan køre lige under 4.000 timer om året
med fuldt omdrejningstal. Hver driftstime, hvor ventilatorerne i
modsætning til eksempel 1 kører med fuldt omdrejningstal, øges
anlæggets samlede virkningsgrad. Den maksimalt opnåede COPværdi
er nu 4,2. Det giver en enorm strømbesparelse på hele 28 %
i dette eksempel.
Kulde og Varmepumper 4 | 2011 79