Masterproef Optimalisatie regeling van een bestaande koelinstallatie naar energie-efficiëntie toe

Masterproef Optimalisatie regeling van een bestaande koelinstallatie naar energie-efficiëntie toe

Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master in de industriële wetenschappen: elektromechanica Academiejaar 2009-2010

Sam Mabesoone

Academische bachelor- en masteropleidingen, Graaf Karel de Goedelaan 5, 8500 Kortrijk

Howest departement Academische Bachelors en Masters

Mabesoone Sam

Voorwoord Energie en milieu zijn twee segmenten in de samenleving die op heden sterk in waarde toegenomen zijn. Dit heeft zijn invloed op het ontwikkelen en promoten van nieuwe technologieën, tegenwoordig is de energie-efficiënte van een installatie een dominerende factor tijdens het ontwerp en afregelen ervan. Tijdens het laatste jaar van de studieopleiding elektromechanica kreeg ik de kans om mijn masterproef te voltooien bij Axima Refrigeration. De studie die ik er gemaakt heb handelt over de regelingsoptimalisatie van een bestaande industriële koelinstallatie ter verbetering van de energie-efficiënte. Het onderwerp van deze masterproef was voor mij een nieuw vakgebied. Het zelfstandig bestuderen van de installatie en hiervoor een regelstrategie uitwerken heeft mijn kennis verruimd. Graag wil ik Dhr. Nino Bacelle, filiaal manager van Axima Refrigeration te Wevelgem te bedanken voor de kans die hij me gaf om er mijn masterproef uit te voeren. Vervolgens zou ik graag mijn dank betuigen aan de promotoren. Mijn dank gaat uit naar mijn externe promotor Dhr. Jim Geldhof voor de bereidwilligheid om mij met zijn kennis bij te staan. Zijn vele tips en aanwijzingen hebben een positieve invloed gehad op het eindresultaat van deze masterproef. Ook dankzij de opvolging en raadgevingen van mijn interne promotor Dhr. Bruno Vanslambrouck werd deze masterproef in goede banen geleid. Verder wil ik ook de personen bedanken die momenteel aan mijn aandacht ontglippen. Ik kon steeds op iedereen van de firma rekenen voor advies of ondersteuning, wat ik enorm waardeer. Tenslotte zou ik ook nog mijn ouders en vrienden willen bedanken voor de steun die ze mij geboden hebben tijdens mijn studiejaren aan de howest. Sam Mabesoone (mei 2010)

Masterproef

II


Mabesoone Sam

Inhoudstabel Voorwoord ................................................................................................................................ II Inhoudstabel ............................................................................................................................. III Abstract ..................................................................................................................................... V Figurenlijst ............................................................................................................................... VI Tabellenlijst ........................................................................................................................... VIII 1

Inleiding .............................................................................................................................. 1 1.1

Situering....................................................................................................................... 1

1.2

Voorstelling van het uitvoerend bedrijf: Axima Refrigeration.................................... 1

1.2.1

Historiek ............................................................................................................... 1

1.2.2

Axima Refrigeration in België ............................................................................. 1

1.2.3

Internationaal ........................................................................................................ 2

1.3

Voorstelling van de masterproef plaats: Alpro ............................................................ 3

1.3.1

Historiek ............................................................................................................... 3

2

Omschrijving algemene werking van de koelinstallatie ..................................................... 4

3

Doel van de masterproef ..................................................................................................... 6

4

Werking van de koelinstallatie ............................................................................................ 7

5

Omschrijving werking koelcyclus ...................................................................................... 8

6

5.1

Koudeproductie ........................................................................................................... 8

5.2

Compressor .................................................................................................................. 9

5.3

Compressortypen ......................................................................................................... 9

5.3.1

Zuigercompressoren ............................................................................................. 9

5.3.2

Schroefcompressoren ........................................................................................... 9

Omschrijving schroefcompressor ..................................................................................... 11 6.1

Uitvoeringen .............................................................................................................. 11

6.2

Werking ..................................................................................................................... 13

6.2.1

Inlaat ................................................................................................................... 13

6.2.2

Compressie ......................................................................................................... 14

6.2.3

Uitlaat ................................................................................................................. 15

6.3

Smeersysteem ............................................................................................................ 16

6.4

Eigenschappen ........................................................................................................... 17

6.5

Capaciteitsregeling .................................................................................................... 18

6.6

Interne Volumeverhouding (Vi) ................................................................................ 19

6.7

Over- en ondercompressie ......................................................................................... 22

7

Detail omschrijving compressorregeling voor de aanpassing........................................... 24

8

Werking van een koeltoren ............................................................................................... 29

Masterproef

III


Mabesoone Sam

8.1

Algemeen ................................................................................................................... 29

8.2

Open koeltoren .......................................................................................................... 30

8.3

Gesloten koeltoren ..................................................................................................... 31

8.3.1

Proceskant .......................................................................................................... 31

8.3.2

Koeltorenkant ..................................................................................................... 31

8.4 9

Verdampings condensor ............................................................................................ 32

Detail omschrijving koeltorenregeling.............................................................................. 33

10

Optimalisatie ................................................................................................................. 35

10.1 Belastingsprofiel ........................................................................................................ 35 11

Gedrag van de Mycom schroefcompressor SCV N200 VMD ...................................... 39

11.1 Vollastbedrijf ............................................................................................................. 40 11.1.1

Invloed van de persdruk op de COP ................................................................... 40

11.2 Deellastbedrijf ........................................................................................................... 41 11.2.1

Invloed van schuifpositie op de COP ................................................................. 41

11.2.2

Invloed van het toerental op de COP ................................................................. 43

11.2.3

Invloed van schuifpositie en het toerental op de COP ....................................... 44

11.2.4

Invloed van de Vi-instelling op de koelcapaciteit en de COP ............................ 46

11.3 Vi correctie i.f.v. de drukvallen aan de zuig- en perszijde ........................................ 47 11.3.1

Bepaling van de bijkomstige drukvallen ............................................................ 48

11.4 Conclusies .................................................................................................................. 50 12

Voorstel compressor regeling........................................................................................ 51

13

Voorstel koeltorenregeling ............................................................................................ 56

13.1 Algemeen ................................................................................................................... 56 13.2 Pompregeling ............................................................................................................. 57 13.3 Conclusie ................................................................................................................... 61 13.4 Ventilatorregeling ...................................................................................................... 62 14

Energie besparing op basis van de nieuwe voorgestelde regeling ................................ 70

15

Andere besparingsmogelijkheden ................................................................................. 71

15.1 Luchtgekoelde condensor in vergelijking met een koeltoren .................................... 71 15.1.1

Conclusie ............................................................................................................ 74

15.2 Meerdere kleinere compressoren ............................................................................... 75 15.3 Schroefcompressie door Bitzer .................................................................................. 75 15.4 Vergelijking twee grotere compressoren t.o.v. drie kleinere compressoren ............. 75 15.4.1

Conclusie ............................................................................................................ 77

16

Besluit............................................................................................................................ 78

17

Literatuurlijst ................................................................................................................. IX

18

Bijlagen .......................................................................................................................... X

Masterproef

IV


Mabesoone Sam

Abstract The purpose of this thesis was to discover an optimized control strategy for an industrial cooling installation. The installation concerned was designed and built by Axima Refrigeration of Wevelgem. It is located in their home town at Alpro, a producer of various soya products for human consumption. Both companies shared the desire to improve energy efficiency of their installations. Hence the search for an optimized control strategy as a possibility to reduce the electric cost. First of all, the current cooling processes needed to be accurately researched. A detailed study was made about the Mycom screw compressor and the Baltimore Air Coil cooling tower. A series of simulations enabled the development of the control strategy. Using these simulations, the influence on the coefficient of performance of various parameters, such as the condenser pressure, the internal volume ratio, the rotation speed and the capacity slide valve could be properly assessed. This resulted in the optimized control strategy for the considered cooling load profile. The control strategy for the cooling towers is based on a variable water flow through the coils. The desired condenser pressure is a calculated value based on the wet bulb temperature. In April, before the implementation of the optimized control strategy, the average coefficient of performance was 3,5. Optimization during May, improved the value to an average of 4,8. Even though the wet bulb temperature had increased significantly. Further improvement will be achieved through removing of the non-condensable air trapped in the condensers. A comparison between the use of air condensers and cooling towers, revealed an estimated savings of 15.000 euros per year. The found control strategy will be implemented by Axima Refrigeration in their future installations. The Alpro plant was also revised accordingly. Keywords: cooling installation, energy efficiency, energy cost

Masterproef

V


Mabesoone Sam

Figurenlijst Figuur 1.1: Logo Axima Refrigeration ...................................................................................... 1 Figuur 1.2: Situering Axima Refrigeration in België ................................................................. 1 Figuur 1.3: Overzicht van de groep Suez ................................................................................... 2 Figuur 1.4: Axima Refrigeration in Europa ............................................................................... 2 Figuur 1.5: Logo Alpro .............................................................................................................. 3 Figuur 2.1: Blokschema van de koelinstallatie bij Alpro ........................................................... 4 Figuur 2.2: Mycom compressorunits ......................................................................................... 5 Figuur 5.1: Schematische voorstelling van een koelinstallatie .................................................. 8 Figuur 6.1: Opbouw van een mono schroefcompressor ........................................................... 11 Figuur 6.4: Lysholm compressor ............................................................................................. 12 Figuur 6.2: Vooraanzicht schroefcompressor .......................................................................... 12 Figuur 6.3: Bovenaanzicht schroefcompressor ........................................................................ 12 Figuur 6.5: Inlaat ...................................................................................................................... 13 Figuur 6.6: Compressie ............................................................................................................ 14 Figuur 6.7: Uitlaat .................................................................................................................... 15 Figuur 6.8: Schema Mycom compressorunit ........................................................................... 16 Figuur 6.9: Drukverhouding van zuiger- en schroefcompressor .............................................. 17 Figuur 6.10: Doorsnede van een dubbele schroefcompressor .................................................. 18 Figuur 6.11: Bovenaanzicht langsdoorsnede van de capaciteitsschuif .................................... 19 Figuur 6.12: Vooraanzicht dwarsdoorsnede van de capaciteitsschuif .................................... 19 Figuur 6.13: Schematische voorstelling van de Vi .................................................................. 19 Figuur 6.14: Voorstelling van de perspoort (Vi-poort) ............................................................ 20 Figuur 6.15: Vi-poort L,M of H ............................................................................................... 20 Figuur 6.16: Voorstelling van de Mycom Vi-instelling ........................................................... 21 Figuur 6.17: Onderdruk compressie ......................................................................................... 22 Figuur 6.18: Overdruk compressie ........................................................................................... 23 Figuur 7.1: Zuigdrukregeling ................................................................................................... 24 Figuur 7.2: Compressorregeling bij plus vraag ........................................................................ 25 Figuur 7.3: Compressoregeling bij min vraag .......................................................................... 25 Figuur 7.4: Voorstelling zuigdruk ............................................................................................ 26 Figuur 7.5: Zuigdruk demping ................................................................................................. 27 Figuur 7.6: Variabel zuigdruk setpunt...................................................................................... 28 Figuur 8.1: Schema Koeltoren.................................................................................................. 29 Figuur 8.2: Open koeltoren ...................................................................................................... 30 Figuur 8.3: Gesloten koeltoren ................................................................................................. 31 Figuur 8.4: Verdampingscondensor ......................................................................................... 32 Figuur 8.5: Hybridecondensor.................................................................................................. 32 Figuur 9.1: Schema koeltorens ................................................................................................. 33 Figuur 9.2: Koeltorenregeling bij plus vraag ........................................................................... 34 Figuur 9.3: Koeltorenregeling bij min vraag ............................................................................ 34

Masterproef

VI


Mabesoone Sam

Figuur 10.1: Belastingsprofiel Yofu proces 23/02/2010 .......................................................... 35 Figuur 10.2: Belastingsprofiel CUP proces 23/02/2010 .......................................................... 36 Figuur 10.3: Totaal belastingsprofiel 23/02/2010 .................................................................... 37 Figuur 10.4: Verloop van de COP 23/02/2010 ........................................................................ 38 Figuur 11.1: Voorstelling van de Mycom simulatiesoftware ................................................... 39 Figuur 11.2: Invloed van de condensatietemperatuur op de COP ............................................ 40 Figuur 11.3: Invloed positie van de capaciteitsschuif op de COP ........................................... 41 Figuur 11.4: Invloed positie van de capaciteitsschuif op het debiet en koelvermogen ............ 42 Figuur 11.5: Invloed van het toerental op de COP ................................................................... 43 Figuur 11.6: Invloed positie van de capaciteitsschuif en het toerental op de COP .................. 44 Figuur 11.7: Invloed schuifpositie op het debiet ...................................................................... 45 Figuur 11.8: Invloed van de Vi-instelling op de COP.............................................................. 46 Figuur 11.9: Voorstelling van de drukvallen op de compressor unit ....................................... 47 Figuur 11.10: Bepaling van de drukval over de zuiggasfilter .................................................. 48 Figuur 12.1: Maximaal toerental i.f.v. Tc ................................................................................ 52 Figuur 12.2: Overgang van één naar twee compressoren ........................................................ 52 Figuur 12.3: Overgang van twee naar één compressor ............................................................ 53 Figuur 13.1: Schema van de condensors met pompen en koeltorens ....................................... 56 Figuur 13.2: Voorstelling van de Affiniteitwetten ................................................................... 58 Figuur 13.3: Elektrisch pompvermogen en gemiddelde condensatietemperatuur ................... 59 Figuur 13.4: Pompkarakteristiek GRUNDFOSS NBE 125 250/262 ....................................... 60 Figuur 13.5: COP i.f.v. dT met een koellast van 1000kW ....................................................... 60 Figuur 13.6: COP i.f.v. dT bij een koellast van 500k .............................................................. 61 Figuur 13.7: Het aantal u/jaar [%] Tnb en Tdb ........................................................................ 62 Figuur 13.8: Van nattebol tot condensatietemperatuur ............................................................ 63 Figuur 13.9: Temperatuursverschil van de condensor ............................................................. 64 Figuur 13.10: Temperatuursverschil i.f.v. de koellast .............................................................. 64 Figuur 13.11: Koeltorenregeling bij 500kW deel 1 ................................................................. 65 Figuur 13.12: Het compressor vermogen i.f.v. condensatietemperatuur ................................. 65 Figuur 13.13: Ventilator debiet i.f.v. de approache ................................................................. 66 Figuur 13.14: Koeltorenregeling bij 1000kW deel 2 ............................................................... 67 Figuur 13.15: Het elektrisch opgenomen pompvermogen i.f.v. het debiet .............................. 68 Figuur 13.16: Werkbladen optimale approache ....................................................................... 69 Figuur 15.1: Optimale dT voor condensor bij 500kW koellast................................................ 72 Figuur 15.2: Optimale dT voor condensor bij koellast van 1000kW ....................................... 73 Figuur 15.3: Condensor berekening bij koellast van 500kW ................................................... 73 Figuur 15.4: Voorstelling van Vi-instelling bij Bitzer ............................................................. 75 Figuur 15.5: Bitzer schroefcompressor bij koellast van 500kW .............................................. 76 Figuur 15.6: Bitzer schroefcompressor bij koellast van 1000kW ............................................ 76 Figuur 15.7: vergelijkende condities ........................................................................................ 76 Figuur 15.8: COP bepaling m.b.v. Mycom selectiesoftware ................................................... 76

Masterproef

VII


Mabesoone Sam

Tabellenlijst Tabel 11.1: Invloed Vi-instelling op de COP ........................................................................... 46 Tabel 11.2: Overzicht van de voornaamste drukvallen ............................................................ 48 Tabel 11.3: Optimale Vi ........................................................................................................... 49 Tabel 11.4: Vi vergelijking vast (Mycom) en variabel (Grasso) ............................................. 50 Tabel 12.1: Koellast in mode 1 en mode 2 ............................................................................... 51 Tabel 13.1: Gemeten referentie voor de pompen ..................................................................... 57 Tabel 13.2: Elektrisch opgenomen pompvermogen i.f.v. het debiet ........................................ 67 Tabel 14.1: Besparing door de regelingsaanpassing ................................................................ 70 Tabel 15.1: Voorstelling van de koellast .................................................................................. 71 Tabel 15.2: Vergelijking koeltorens met condensors ............................................................... 74 Tabel 15.3: Vergelijking van twee grotere en drie kleinere compressoren .............................. 77

Masterproef

VIII


1

Mabesoone Sam

Inleiding

1.1

Situering

Door de huidige levensstijl en populatie van de mens wordt het milieu steeds meer belast en slinken de energievoorraden. Een respons hierop is een alsmaar strengere milieuwetgeving en stijgende energieprijzen. Dit heeft als gevolg dat de maatschappij wordt aangezet tot het ontwikkelen van energiezuinige oplossingen. Zowel Axima Refrigeration als Alpro zijn zich hiervan bewust. 1.2

Voorstelling van het uitvoerend bedrijf: Axima Refrigeration

Figuur 1.1: Logo Axima Refrigeration

Axima Refrigeration is actief in verschillende sectoren: - Voedingsnijverheid - Farmaceutische industrie - Chemische- en petrochemische industrie - Sport en recreatie - Distributiesector - Transportsector 1.2.1 Historiek De historiek van het bedrijf gaat terug tot 1962, wanneer Grasso een installatieactiviteit opstart in de industriële koeling in België. Sinds 1968 opereerde het bedrijf onder de naam Grencobel en na de overname door de groep Fabricom, onder de naam Axima Refrigeration. 1.2.2 Axima Refrigeration in België Axima Refrigeration is een toonaangevend bedrijf in industriële en commerciële koeling. Het stelt 280 mensen tewerk en realiseert een omzet van 52 miljoen euro per jaar. Het bedrijf telt 8 vestigingen verspreid over België en Luxemburg.

Figuur 1.2: Situering Axima Refrigeration in België

Masterproef

1


Mabesoone Sam

1.2.3 Internationaal Axima Refrigeration dat deel uitmaakt van de groep Fabricom, maakt op zijn beurt deel uit van de industriële dienstverleningspool SES van de nutsgroep SUEZ. Axima Refrigeration is hierdoor vertegenwoordigd in 9 Europese landen, beschikt over meer dan 1900 ingenieurs en technici en realiseert hierbij een omzet van meer dan 300 miljoen euro per jaar.

Figuur 1.3: Overzicht van de groep Suez

Figuur 1.4: Axima Refrigeration in Europa

Masterproef

2

Howest departement Academische Bachelors en Masters 1.3

Mabesoone Sam

Voorstelling van de masterproef plaats: Alpro

Figuur 1.5: Logo Alpro

Alpro is de Europese pionier in de ontwikkeling van voedingsproducten en drinks op basis van Soya. De onderneming telt vandaag meer dan 800 werknemers en via partnerships in heel Europa indirect meer dan 2000 medewerkers. 1.3.1 Historiek Al in 1934 waren de voordelen van soja gekend door de oprichter van de Vandermoortele Groep, Constant Vandermoortele. Pas veertig jaar later werd door Phillipe Vandermoortele een uniek procedé ontwikkeld om sojamelk te maken. In 1980 werd een eerste sojafabriek gebouwd op het eiland Madgaskar. Om logistieke redenen werd dit project stilgelegd. Tegelijkertijd werd door de Vandermoortele Groep een aparte divisie opgericht in Europa. Hiermee werd Alpro geboren. In 1989 bouwde Alpro in Wevelgem (België) Europa's grootste en modernste productieeenheid voor sojavoeding, gebaseerd op het UHT-procedé. In 1996 nam Alpro de onderneming Sojinal over en versterkte zich zo met een extra productie-eenheid voor sojamelk in Issenheim (Frankrijk). In 2000 bouwde Alpro een gloednieuwe sojamelkfabriek in de Britse stad Kettering. Om het assortiment sojaproducten nog completer te maken, werd in 2006 de tofu-producent SoFine Foods (Nederland) overgenomen.

Masterproef

3


2

Mabesoone Sam

Omschrijving algemene werking van de koelinstallatie

In een bedrijf zoals Alpro worden de voedingsmiddelen alsook de grondstoffen ervoor gekoeld. Dit gebeurt door gebruik te maken van ijswater, het biedt de zekerheid dat bij lekkages in de warmtewisselaars geen NH3 of glycol in het voedingsproduct terecht komt. Met ijswater als transportmedium wordt de hoeveelheid R717 beperkt en is er voldaan aan de richtlijnen opgelegd door Alpro zodat dit koelmiddel binnen de machinekamer blijft. De koelinstallatie kan worden gezien als twee gekoppelde installaties. Enerzijds is er de verdeling van het ijswater voorgesteld in het groen op figuur 2.1, anderzijds is er de koeling ervan die voorgesteld is in het blauw. De ijswaterinstallatie beschikt over een eigen door Alpro geoptimaliseerde regeling. Deze ijswaterregeling die onafhankelijk werkt van de koelinstallatie vermijdt zo goed als mogelijk de piekbelastingen.

Figuur 2.1: Blokschema van de koelinstallatie bij Alpro

Masterproef

4


Mabesoone Sam

Het koelen van het ijswater gebeurt door een industriële koelinstallatie werkend op ammoniak (R717). Deze installatie is ontworpen en geïnstalleerd door Axima Refrigeration. De koelinstallatie bevindt zich in de machinekamer en is opgebouwd uit drie compressor units, vier warmtewisselaars en twee koeltorens die boven de machinekamer op het dak geplaatst zijn. De drie compressorunits werken als het ware samen om de totale koellast te verwerken volgens een regeling geprogrammeerd door Axima Refrigeration. Iedere compressor unit is van de fabrikant Mycom en bestaat uit een duoschroef compressor, olieafscheider, olieniveaubewaking en –koeling.

Figuur 2.2: Mycom compressorunits

De warmte-uitwisseling gebeurt aan de hand van platenwisselaars, zowel aan de pers- als zuiggaszijde. De warmte-uitwisseling aan het ijswater gebeurt door twee platenverdampers met elk een capaciteit van 990kW. Door de compressie wordt er warmte toegevoegd aan het koelmedium overeenkomstig met de arbeid geleverd door de compressor. Ter vereenvoudiging wordt dit gelijk gesteld aan het opgenomen elektrisch vermogen. Deze vereenvoudiging betekent dat een grotere warmte mee wordt opgenomen in verdere berekeningen. Dit maakt dat de platenwisselaars als condensors een capaciteit hebben gelijk aan het koelvermogen (990kW) en compressiewarmte (174kW) tezamen, een capaciteit gelijk aan 1354kW. De koeltorens zijn over-gedimensioneerd om de productie activiteit van de fabriek niet te beperken, wanneer er één koeltoren zou uitvallen dan is er nog 58% van het koelvermogen beschikbaar. 1354 (990 174).2

Masterproef

58%

(2.1)

5


3

Mabesoone Sam

Doel van de masterproef

Tijdens de afgelopen jaren zijn de productieprocessen in Alpro aangepast geweest. Hierbij is de grootte en het profiel van de koellast gewijzigd. In tegenstelling tot de koellast is de koelinstallatie niet gewijzigd alsook de regeling ervan niet. Zowel Alpro als Axima Refrigeration planden een update van de regeling van de koelinstallatie. De doelstelling van deze masterproef is om gedetailleerde voorstellen uit te werken om een optimale regeling naar energie-efficiënte toe te bekomen van de koelinstallatie. Deze optimalisatie van het energetisch rendement bevat de optimalisering van de - De regeling van de compressoren - De regeling van de koeltorens Hierbij is het nodig om de werking van een duo schroefcompressor en een open koeltoeren te doorgronden. Een volgende uit te werken doelstelling is het opstellen van een meest optimaal mogelijk regeling voor één compressor. Hierbij worden volgende invloeden onderzocht. 1. Bij vollastbedrijf 1. De invloed van de persdruk op de COP1 2. Bij deellastbedrijf 1. De invloed van capaciteitschuif op de COP 2. De invloed van het toerental op de COP 3. De invloed van de volumeverhouding (Vi-instelling)2 Een cruciaal gegeven bij het ontwerpen van een regeling is de belasting, niet alleen de grootte maar ook het profiel ervan is belangrijk. Op basis van de datalog gegevens is het mogelijk de belastingsgrootte en vorm te bepalen. Door middel van de bekomen resultaten kan een regeling worden opgesteld. Na het opstellen van een regelstrategie voor één compressor wordt er een strategie ontwikkeld voor twee compressoren. De huidige regeling bestaat uit een eigenhuis ontwikkeld universeel PLC programma. Dit programma wordt klant afhankelijk uitgebreid en/of aangepast naargelang de koelinstallatie. Na implementatie van de geoptimaliseerde regeling kan een raming van de eventuele besparing bepaald worden. De koeltorens die instaan voor de condensatie van het koelmiddel functioneren volgens een eigen regeling. Na het onderzoeken van de werking ervan is het de bedoeling om een regeling op te stellen voor één koeltoren alsook een cascaderegeling die beide koeltorens aanstuurt. De koellast moet worden afgevoerd met een variabel waterdebiet. Een tweede luik is om de condensatiedruk te wijzigen i.f.v. de natte bol temperatuur. Als uitbreiding kunnen andere interessante besparende mogelijkheden onderzocht worden, bijvoorbeeld door gebruik te maken van luchtgekoelde condensors of meerdere kleinere schroefcompressoren.

1 2

COP: coefficient of performance Vi: intern volume

Masterproef

6


4

Mabesoone Sam

Werking van de koelinstallatie

Omdat de lezer voldoende zou kunnen mee volgen is het schema terug te vinden in bijlage 1 De koelinstallatie is opgebouwd uit: - drie schroefcompressoren type Mycom N200 VMD volgens ontwerpcondities  Q0= 964kW (koelcapaciteit)  To= -1°C (verdampingstemperatuur)  n= 2950tr/min (nominaal toerental)  Tk= 35°C (condensatietemperatuur)  Pe= 174kW (elektrisch opgenomen vermogen) -

tee koeltorens van het type BAC VXTN-310 volgens ontwerpcondities.  Q0= 1354kW (koelvermogen)  Tin = 32°C (ingangstemperatuur)  Tuit= 27°C (uitgangstemperatuur)  Tnb= 22°C (nattebol temperatuur)  Do= 233m³/h (waterdebiet)

Vanuit de lagedrukafscheider B30A valt de vloeibare ammoniak in de platenwisselaars W50, dit gebeurt op basis van natuurlijke circulatie. Aan de secundaire zijde van de platenwisselaars wordt er in retour ijswater gepompt van ongeveer 6°C. Doordat de ammoniak vloeistof kookt en de warmte onttrekt aanwezig in de platenwisselaar wordt het ijswater gekoeld tot op 0°C. De damp (R717) gas stijgt en komt door middel van natuurlijke circulatie opnieuw terecht in de afscheider B30A. Via de geïsoleerde buis 001 wordt het gas aangezogen door de drie Mycom compressoren. Hierbij is in de zuigleiding een geregelde smoorklep (30A.11) geplaatst die ervoor zorgt dat de druk in de platenwisselaars niet lager wordt dan 4,29bar absoluut, deze druk stemt overeen met 0°C. Aan de andere kant zorgt de smoorklep er ook voor dat de zuigdruk niet te hoog wordt. De zuigleiding van iedere compressor is verbonden met een zuiggasfilter (10A,10B,10C) aan de zuiggas collectorbuis 001. De ammoniakdamp wordt door de compressor gecomprimeerd. De olie die in ieder compressor wordt geïnjecteerd als smering, afdichting en koeling wordt door de olieafscheider 10A,B,C.B.02 afgescheiden, deze olie wordt opgevangen in de olie afscheider en gekoeld door de oliekoelers 10A,B,C.W. De koeling gebeurt doordat er vloeistof afkomstig van het vloeistofvat B31A door middel van natuurlijke circulatie in de koeler terecht komt. De olie wordt na filtering terug in de compressor geperst, hierbij is een pomp nodig om de druk hoger dan de persdruk te bekomen. De olie die niet afgescheiden wordt (± 10 à 20 ppm) komt uiteindelijk in de afscheider B30A terecht, door een persgaspompje wordt het naar een tussendrukvat gerecupereerd. Door tijdsgestuurde regeling wordt met gas vanuit B31 de olie uit het reservoir geperst, de mengeling van gas en olie wordt gescheiden in B33A. Dit gebeurt doordat de hete persgas leiding doorheen het reservoir loopt waardoor de ammoniak uit de mengeling verdampt. Opnieuw wordt de olie terug naar de compressoren gebracht via een dieptefilter. Het condenseren van het persgas gebeurt door middel van de platenwisselaars W20 die in verbinding staan met de twee koeltorens op het dak. Na condensatie komt de ammoniak vloeistof in het hogedruk voorkeurvat terecht. Het voorkeurvat is zodanig ontworpen zodat er altijd vloeistof aanwezig is. Met deze vloeistof worden de oliekoelers gevoed. De damp van de oliekoelers stroomt terug naar het voorkeurvat en wordt gecondenseerd in de koeltorens.

Masterproef

7


5

Mabesoone Sam

Omschrijving werking koelcyclus

5.1

Koudeproductie

Koude voortbrengen betekent in feite warmte ontrekken. Om een hoeveelheid warmte te ontrekken is er een medium, de verdamper, nodig met een lagere temperatuur. De ontrokken warmte, die een temperatuur verhoging van het koelmedium voor gevolg heeft, wordt verder afgestaan aan de condensor. Het koelingsproces komt hoofdzakelijk neer op een warmteoverdracht van een koude naar een warme bron. Dit is slechts mogelijk mits er arbeid geleverd wordt, met deze arbeid W(kJ) komt een hoeveelheid warmte overeen Q(kJ) die eveneens door de condensor afgegeven wordt.

q1

q0 W

(5.1)

Met q0 (kJ) de warmte ontrokken aan de verdamper per kg koelmedium q1 (kJ) de warmte afgestaan aan de condensor per kg koelmedium W (kJ) de warmte door compressie arbeid per kg koelmedium De productiecoëfficiënt ε is de verhouding van de nuttig onttrokken warmte q 0 tot de warmte, equivalent met de arbeid W.

q0 W

(5.2)

Figuur 5.1: Schematische voorstelling van een koelinstallatie

De specifieke koudeproductie of ook coëfficiënt of Performance (COP) is een belangrijk begrip en geeft de koudeproductie per eenheid vermogen van de compressor weer.

Q0 P Met Q0 (kW) de koudeproductie P (kW) het elektrisch opgenomen vermogen van de compressor COP

Masterproef

(5.3)

8


Mabesoone Sam

Compressor

Compressoren zijn van essentieel belang in een industrieel dampcompressie systeem. De compressor zorgt voor de beweging veroorzakende kracht van het koudemiddel doorheen de installatie en een voldoende hoog drukverschil. Hierbij zuigt de compressor de damp uit de verdamper en perst deze naar de condensor bij een dusdanige temperatuur dat het condensatieproces kan plaatsvinden. In een koelsysteem zijn de compressoren de grootste energie (elektriciteit) verbruikers. Belangrijk is dat koelcompressoren enkel geschikt zijn voor het verpompen van gas(damp). 5.3

Compressortypen

Net als bij pompen zijn compressoren in te delen in twee hoofdgroepen: ten eerste de verdringing- of verplaatsingscompressoren in de vorm van zuiger- en schroefmachines. In het algemeen zijn de prestaties van deze compressoren nauwelijks gevoelig voor variaties in de drukverhouding en aanzuigtemperatuur. Ten tweede de dynamische of impulscompressoren zoals centrifugaal- en axiaalmachines. Tengevolge van hun werkingsprincipe zijn deze machines wel gevoelig voor variaties in drukverhouding en aanzuigtemperatuur. In de huidige koeltechniek worden vier types toegepast: -

Zuigercompressoren Turbo- of centrifugaalcompressoren Schroefcompressoren scrollcompressoren

De zuiger en de schroefcompressor komen bij industriële toepassingen het meest voor. 5.3.1

Zuigercompressoren

Voor het comprimeren van lichte gassen (zoals waterstof) en voor een grote compressieverhouding (per compressietrap meer dan 4) zijn zuigercompressoren zeer geschikt. Het werkgebied is uitgebreid: 1 tot 50.000 m3/h, bij vermogens van minder dan 1 kW tot meer dan 16 MW (6 cilinders).De zuigercompressor heeft in het algemeen een gunstiger specifiek energieverbruik dan de andere compressortypen. Voor de zuigercompressoren tot 35.000 m3/h zijn diverse bouwvormen mogelijk: staand, liggend, boxervorm (cilinders paarsgewijs tegenover elkaar liggend) of cilinders paarsgewijs verticaal in een V-vorm en toepasbaar voor vele gassen, onder andere freongas, aardgas en lucht. 5.3.2 Schroefcompressoren Vergeleken met de zuigermachines hebben schroefcompressoren niet de nadelen van de zuigercompressoren: pulserende gasmassa’s (vibratie), slijtage aan zuigerveren, geleidingsringen en in- of uitlaatkleppen. Bovendien zijn bij de schroefcompressor door de veel hogere snelheden de pulsaties van de uitlaatgasstroom alleen merkbaar als een hoogfrequent geluid. In vergelijking met de dynamische of centrifugaalcompressor heeft de uitlaatdruk van het gas geen invloed van betekenis op het uitlaatdebiet van de schroefcompressor.

Masterproef

9


Mabesoone Sam

Beperkend voor de drukverhouding bij een schroefcompressor zijn mechanische effecten zoals toelaatbare doorbuiging van de rotor en belasting van het axiaallager. De maximaal toelaatbare eindtemperatuur tengevolge van de drukverhouding heeft invloed op de rotorspeling en het rendement. Voor olievrije compressoren is de maximale eindtemperatuur 250°C. Een schroefcompressor is zowel verkrijgbaar in een oliegeïnjecteerde als in een olievrije uitvoering. In het algemeen wordt voor het comprimeren van procesgassen de olievrije uitvoering gekozen. Bij gebruik van een compressor in een kringloop (bijvoorbeeld voor het koudemedium in de koeltechniek) wordt de voorkeur gegeven aan de oliegeïnjecteerde versie omdat de olie binnen de kringloop gehouden kan worden. Bij oliegeïnjecteerde compressoren dient er rekening mee gehouden te worden dat niet alleen de olie het te comprimeren gas kan vervuilen (dus is een filter en olieafscheider nodig), maar ook kan het gas de smeerolie vervuilen waardoor de smerende of koelende werking vermindert en schade aan de compressor kan ontstaan. Bij olievrije schroefcompressoren wordt één van de rotoren direct aangedreven en de andere via een set tandwielen om te voorkomen dat er metallisch contact is tussen de rotoren onderling. Daar bij oliegeïnjecteerde compressoren de olie voor een betere afdichting zorgt, zijn de volumetrische rendementen van een olievrije en een oliegeïnjecteerde schroefcompressor enigszins verschillend, respectievelijk 82 – 88% en 82 – 92%, afhankelijk van het te comprimeren gas.

Masterproef

10


6 6.1

Mabesoone Sam

Omschrijving schroefcompressor Uitvoeringen

De schroefcompressor kent twee uitvoeringen. Hij komt voor onder een eerste vorm met een enkele schroefvormige rotor en twee daar indraaiende tandwielen met de assen loodrecht op die van de rotor. Deze uitvoering is gekend als de “monoscrew”

Figuur 6.1: Opbouw van een mono schroefcompressor

1.rotor 2.tandwielen 3.carter 4.aandrijfas 5.cilindrisch huis 6.gleuven 7.persopeningen 8.eindkant rotor (open) 9.aanzuigkamer

Masterproef

11


Mabesoone Sam

Een tweede uitvoering bestaat uit twee in elkaar draaiende schroefvormige rotors met evenwijdige assen. De geïnstalleerde Mycom compressoren bij Alpro behoren tot deze groep. Hierbij zijn de werkende delen twee rotors, die rondraaien in een compressorhuis. Deze schroefvormige rotors hebben een speciaal profiel.

Figuur 6.3: Bovenaanzicht schroefcompressor

Figuur 6.2: Vooraanzicht schroefcompressor

De rechter rotor, de zogenaamde mannelijke rotor, is het aandrijvende element en de linker rotor, de vrouwelijke rotor, is het aangedreven deel. De rotors werken in principe als wormen tegen elkaar in en het gas wordt in de schroefholten getransporteerd. Het rotorprofiel is gepatenteerd (patent door SRM). In de huidige vorm is de roterende schroefcompressor een verdere ontwikkeling van de Lysholm compressor. Behalve de rotors zijn ook de oppervlakten van de einddeksels en de rotorboring in het compressorhuis van groot belang aangezien zij de nauwkeurig berekende in- en uitlaatpoorten bevatten. De schroefcompressor is een positieve verdringer compressor met verschillende arbeidsfasen: inlaat, compressie en uitlaat. Er is geen mechanische koppeling tussen de beide rotorassen.

Figuur 6.4: Lysholm compressor

Masterproef

12


Mabesoone Sam

Werking

6.2.1 Inlaat Wanneer de mannelijke rotor in wijzerzin draait dan opent zich een schroefvormige holte nabij de inlaat van het compressorhuis. Deze holte wordt gevuld met gas. Bij het verder draaien van de rotor vergroot deze schroefholte en stroomt het gas verder de compressor binnen. Door het verder draaien van de rotor zullen de bij elkaar horende schroefholtes helemaal tot aan het eind gevuld zijn. De schroefholte tussen de rotoren is nu volledig gevuld met gas. Hierbij is deze schroefholte de inlaatpoort gepasseerd en is deze afgesloten voor verdere gasaanvoer. Bij iedere omwenteling zijn de bij elkaar horende schroefholtes op het einde van de aanzuigperiode geheel gevuld met gas. Deze aanzuigperiodes overlappen elkaar en zorgen voor een gelijkmatige gasstroom.

Figuur 6.5: Inlaat

Positie 1 en 2: Door het draaien van de rotors verschuift de tandingrijping van de zuig- naar de drukzijde. Tussen elke twee tanden van hoofd- en nevenrotor vormt zich een V-vormige holte. Via de inlaatpoort wordt de voorbijdraaiende schroefgang gevuld. Deze open schroefgangen van beide rotoren worden door koelmiddeldamp onder zuiggasdruk gevuld.

Masterproef

13


Mabesoone Sam

6.2.2 Compressie Op het moment dat de schroefholte de inlaatpoort gepasseerd is, is deze afgesloten en volledig gevuld met zuiggas over de volledige lengte, vanaf de inlaat tot de uitlaat. Door het verder verdraaien van de mannelijke rotor grijpen de rotors in elkaar in de richting van de uitlaat. Hierdoor wordt het volume kleiner en de gasdruk hoger.

Figuur 6.6: Compressie

Positie 3 en 4: Bij het verder draaien van de rotoren wordt de damp aan het begin van de schroefgangen afgesloten, de compressie begint. Het volume wordt steeds verkleind, zodat de druk toeneemt bij het verder draaien van de rotoren.

Masterproef

14


Mabesoone Sam

6.2.3 Uitlaat De schroefholtes komen in verbinding met de uitlaatpoort bij het verder verdraaien van de rotors. Het gas verlaat telkens de schroefholtes waarbij er geen restgas tussen de rotors achterblijft, dit in tegenstelling tot zuigercompressoren waar er een schadelijke ruimte tussen de zuiger en de cilinderkop aanwezig is. Op te merken is dat ook bij schroefcompressoren er geen expansie optreedt aan het begin van de inlaat, hetgeen wel het geval is bij zuigercompressoren. Deze expansie zorgt voor een daling van het volumetrisch rendement.

Figuur 6.7: Uitlaat

Positie 5 en 6: De uitlaatopening wordt gevormd door de stuurkanten van de perspoort volgens de Viinstelling. Deze opening heeft een axiaal en een radiaal gedeelte. De positie van de stuurkanten bepaalt de grootte van het gecomprimeerde volume en daarmee de mate van de compressie. Verdere rotatie van de rotors zorgt ervoor dat de tandruimte naar nul gebracht wordt. Hierbij wordt het gas naar de perskant van de compressor verplaatst. De beschreven arbeidsslag herhaalt zich in elke volgende tandruimte, waardoor een praktisch ononderbroken debiet wordt bereikt.

Masterproef

15


Mabesoone Sam

Smeersysteem

Een schroefcompressor heeft nood aan een oliecircuit die de afdichting en smering tussen de rotors verzorgt. De oliecirculatie zorgt verder voor de smering van de assen en de lagers. Door olie te injecteren tussen de rotors worden de axiale drukken op de rollagers zoveel mogelijk hydraulisch gecompenseerd. De olie-injectie gebeurt door de olie in fijne stralen direct tussen de rotors te injecteren, gebeurt met een druk van 2 tot 3bar hoger dan de persdruk. Het rendement bij schroefcompressoren wordt verhoogd enerzijds door de afdichtende werking van de oliefilm en anderzijds door het egaliseren van de temperatuur tussen de rotors en het compressorhuis. Het is zo dat de maximale perstemperatuur laag kan gehouden worden t.t.z. 80°C t.g.v. de intensieve oliekoeling. Door het toepassen van olie-injectie is er nood aan een efficiënte olie-afscheider en –koeler. De olie-afscheider moet de olie maximaal recupereren (>99%), dit tot een reductie van 10 à 20 ppm, wil men een goed verdampercondensorrendement behalen.

Figuur 6.8: Schema Mycom compressorunit

1. 2. 3. 4. 6. 7. 8.

schroefcompressor motor koppeling olie afscheider olie pomp olie koeler olie filter

Masterproef

16


Mabesoone Sam

Eigenschappen

Enkele eigenschappen van een schroefcompressor: -

compactheid geen kleppen geen schadelijke ruimte reductie van de trillingen weinig gevoelig voor vloeistofslag een grotere drukverhouding/trap mogelijk

De ingebouwde volumeverhouding heeft voor ieder type koudemiddel een ingebouwde drukverhouding. Onder ingebouwde volumeverhouding verstaat men de verhouding met: Pc de condensatiedruk Po de verdampingsdruk

Figuur 6.9: Drukverhouding van zuiger- en schroefcompressor

Masterproef

17


Mabesoone Sam

Capaciteitsregeling

Een capaciteitsregeling betekent dat het werkelijke verpompte debiet aangepast wordt in functie van de belasting. Deze aanpassing kan op een aantal manieren. 1. Het smoren van de aanzuigdruk of de uitlaatdruk, deze methode is echter niet energieefficiënt. 2. Aan de hand van recirculatie: hierbij wordt naar behoefte een deel van het uitlaatdebiet teruggevoerd naar de inlaat. Ook deze regeling bespaart geen energie, integendeel: zonder koeling van de recirculatiestroom wordt het rendement van de compressie steeds slechter. 3. Door middel van variabele volumeregeling; dit gebeurt door met behulp van een capaciteitsschuif het te comprimeren volume te variëren, hierbij wordt inwendig een bypass gevormd. Omdat de regelschuif gesmeerd dient te worden, is deze techniek alleen bij oliegesmeerde compressoren in gebruik. De energie-efficiëntie van deze regeling is behoorlijk en het regelbereik gaat van 100 tot 10%. Bij de Mycom schroefcompressoren is de minimum schuifpositie door de fabrikant opgelegd 30%. 4. Gebruik makend van een toerentalregeling: dit is de regeling met de beste energieefficiëntie. Het toerental is proportioneel met de capaciteit en het opgenomen vermogen. Bij de schroefcompressor is een onbelaste aanloop noodzakelijk, omdat bij aanvankelijk hoge zuigdruk de persdruk vanwege de ingebouwde volumeverhouding tot ver boven de hoogst toelaatbare machinedruk zou kunnen stijgen. De onbelaste aanloop en de capaciteitsregeling zijn beiden in één voorziening herenigd, deze bestaat uit een schuif die een deel van de onderwand van het compressorhuis vormt.

Figuur 6.10: Doorsnede van een dubbele schroefcompressor

Op figuur 6.10, die de langsdoorsnede weergeeft van de schroefcompressor, is te zien hoe de schuif bij verplaatsing naar links een bypass opening vrijmaakt. Het gas ingesloten vanaf de inlaatpoort door een groeven paar kan gedeeltelijk weer naar de zuigzijde terugstromen. Het terugstromen van gas gebeurt totdat het desbetreffende groeven paar de bypass opening volledig gepasseerd is. In feite wordt door de schuifopening de effectieve rotorlengte

Masterproef

18


Mabesoone Sam

verkleind waardoor de eigenlijke compressie later begint bij een kleiner groefvolume. Het gevolg is dat bij een zelfde toerental het slagvolumedebiet afneemt, dit zorgt ervoor dat bij gelijk blijvende werkcondities het aangezogen volumedebiet en dus ook de capaciteit kleiner worden. Op deze wijze kan de capaciteit van 100% (schuif geheel naar rechts) staploos worden teruggeregeld tot circa 30% (schuif in uiterst linkse positie). Het sturen van de schuif gebeurt hydraulisch.

Figuur 6.11: Bovenaanzicht langsdoorsnede van de capaciteitsschuif

6.6

Figuur 6.12: Vooraanzicht dwarsdoorsnede van de capaciteitsschuif

Interne Volumeverhouding (Vi)

In het geval van een zuigercompressor wordt het aangezogen volume gas samengeperst, terwijl de druk stijgt wanneer de zuiger omhoog schuift. De zuigercompressor is uitgerust met perskleppen die een eigen veerdruk hebben. De compressor perst zodanig dat het gas de persklep openduwt met een druk groter dan de condensatiedruk en de veerdruk tezamen. In het geval van een schroefcompressor wordt er een volume gas in de groeven tussen de rotors ingesloten. Dit volume verkleint en de druk stijgt terwijl de rotors draaien. Tot hier verloopt het proces gelijkaardig als bij een zuigercompressor. De inwendige volumeverhouding, Vi is een specifiek getal van de schroefcompressor en wordt berekend als verhoudingsgetal van de volumen tussen de tanden vanaf het begin van de compressiefase tot het einde ervan. Figuur 6.13 toont een schematische voorstelling van een schroefcompressor.

Figuur 6.13: Schematische voorstelling van de Vi

Masterproef

19


Mabesoone Sam

Het einde van de compressiefase en de inwendige volumeverhouding Vi worden door de grootte van de uittredeopening, d.w.z. door de positie van de uittredeopening bepaald. Deze uittredeopening maakt deel uit van de Vi-schuif en heeft een uittredeopening zowel radiaal alsook axiaal.

Figuur 6.14: Voorstelling van de perspoort (Vi-poort)

Wanneer het volume verkleind is volgens de volumeverhouding afhankelijk van de Vi-schuif zal het gas de rotoren langs de Vi-poort verlaten. Bij de verplaatsing van de Vi-schuif richting zuigzijde zal het gas de rotoren eerder verlaten, hierdoor wordt het gas in de groef minder lang samengeperst.

Figuur 6.15: Vi-poort L,M of H

Masterproef

20


Mabesoone Sam

De poortinstelling van de compressor is afhankelijk van de werkcondities. Naargelang de verdampingstemperatuur zal er gekozen worden voor een poortinstelling van de perspoort. De Mycom SCV N200 VMD compressor heeft een vaste Vi instelling. Zoals bovenstaande figuur biedt deze compressor de mogelijkheid van drie Vi instellingen. De poort kan ingesteld worden op L, M en H stand, deze posities komen overeen met een Vi van respectievelijk 2.63, 3.65, 5.80. De L poort is geschikt voor verdampingstemperaturen tot -5°C, de M poort is geschikt voor verdampingstemperaturen tussen -5°C en -15°C en de H poort is geschikt voor verdampingstemperaturen tussen -15°C en minder.

Figuur 6.16: Voorstelling van de Mycom Vi-instelling

Figuur 6.16 toont de verschillende openingen van de perspoort voor de Mycom compressor. De drie perspoort openingen zijn volgens de standen L,M en H. De fabrikant Mycom raadt het af om de perspoort in te stellen in een tussenstand. In een tussenstand kunnen geen gegevens van het koelvermogen verkregen worden. Zoals eerder vermeld is de Mycom SCV N200VMD een compressor met vaste Vi instelling. Mycom alsook andere fabrikanten zoals Grasso en Bitzer beschikken over schroefcompressoren met een variabele Vi instelling. Een verdere toespitsing op de Vi instelling is nodig om de meest optimale voor de Mycom SCV N200 compressor te bekomen aangezien deze instelling vast is. De volumeverhouding Vi wordt volgens de externe bedrijfscondities van dat moment (zuigdruk, einddruk) zo ingesteld, dat de druk in de tandruimten bij het bereiken van de uittredeopening ongeveer gelijk is aan de externe einddruk. Op die manier blijft het verlies in de compressiefase klein en wordt op dat moment het kleinste aandrijfvermogen. De inwendige volumeverhouding Vi is een specifiek getal van de schroefcompressor en wordt berekend volgens vergelijking 6.1 als een verhoudingsgetal van de volumes tussen de tanden vanaf het begin van de compressie tot het einde. Masterproef

21


p Vi= d ps

Mabesoone Sam

1 k

(6.1)

Met Vi de interne volumeverhouding pd de persdruk (discharge pressure) ps de zuigdruk (suction pressure) k de isotropen exponent gelijk aan 1,32 voor R717 De regelschuif en Vi-schuif worden apart en onafhankelijk van elkaar bediend. De Vi-schuif beslaat de hele lengte van de werkruimte en wordt in de regelschuif geleid. Het type compressor van Mycom geïnstalleerd bij Alpro heeft een vaste instelbare Vi-instelling. De regelschuif wordt variabel gestuurd door een hydraulische sturing. 6.7

Over- en ondercompressie

Schroefcompressoren zijn verdringingscompressoren, dit betekent dat ieder type compressor een eigen ingebouwde volumeverhouding heeft, zodat een verschil zal zijn tussen de interne eindruk van de compressor (pi) en de condensordruk (pc). Dit drukverschil kan zowel positief als negatief zijn en resulteert in een energieverlies.

Figuur 6.17: Onderdruk compressie

De verrichte arbeid wordt voorgesteld door de oppervlakte binnen de getrokken lijnen van de diagrammen, het gearceerde gebied stelt het arbeidsverlies voor. In het geval A, voorgesteld met figuur 6.17 waarbij de interne eindruk van het ingesloten gas lager is dan de condensordruk net voor het gas de lob verlaat, wordt de rechthoek tussen de lijnen pc en pi als arbeid geleverd door expansie vanuit de condenserdrukzijde. Een hoeveelheid gas kent als het ware een terugstroom in de uitgang van de schroeven, deze hoeveelheid wordt door de schroefbeweging opnieuw uitgeperst. Dit is arbeid die de compressor voordien reeds heeft geleverd. Had de compressor kunnen comprimeren tot aan pc, dan was de verrichte arbeid, het gearceerde driehoekje kleiner geweest.

Masterproef

22


Mabesoone Sam

Figuur 6.18: Overdruk compressie

Doordat het gas te lang ingesloten is geweest in de lob is de interne druk juist voor het bereiken van de persopening hoger dan de condensordruk. Wanneer de lob de persopening passeert zal het gas snel in druk dalen door de lagere condensordruk, hierbij zou in het geval B de compressor het gearceerde driehoekje minder aan arbeid hebben hoeven te leveren indien de persopening was bereikt bij een interne druk gelijk aan de condensordruk (pc). Alleen in het ideale geval waarin pi gelijk is aan pc is er geen arbeidsverlies.

Masterproef

23


7

Mabesoone Sam

Detail omschrijving compressorregeling voor de aanpassing

Het comprimeren van het zuiggas gebeurt door drie compressoren waarvan er telkens twee in cascade werken. Deze regeling biedt de mogelijkheid om herstellingen alsook onderhoud uit te voeren zonder productievermindering, dit geeft een bedrijfszekerheid naar continue productie binnen het bedrijf bij eventuele storingen of aanpassingen aan de koelinstallatie. De cascaderegeling bestaat uit een overkoepelende regeling en een regeling per compressor. De overkoepelende regeling controleert welke compressoren vrijgegeven worden. Hierdoor doen de compressoren een gelijk aantal draaiuren. Bij het vrijgeven wordt ook rekening gehouden met de stop-start (6 min) en start-start (10 min) tijden. Setpunt zuigdruk: 0°C Differentiaal: 0,2°C DifferentieelQuickAction: 1°C Verder werkt de regeling volgens differentiëlen en stuuracties: GemetenWaarde >= (Setpunt + Differentieel) = ActiePlus GemetenWaarde <= (Setpunt - Differentieel) = ActieMin GemetenWaarde <= (Setpunt - DifferentieelQuickAction) = ActieMinMin Het is zo dat zuigdruk in de zuigcollector opgemeten wordt door de omcirkelde drukopnemer na de zuigdruk regelklep.

Figuur 7.1: Zuigdrukregeling

ActiePlus houdt in dat de capaciteit van de compressoren verhoogd zal worden. Dit gebeurt telkens door middel van een pulspauzetrein, dit is een blokgolf die 25 PLC-cyclussen hoog en 40 PLC-cyclussen laag gemaakt is. ActieMin betekent dat de capacitiet van de compressoren afgebouwd moet worden. Een ActieMinMin betekent een sterke daling van de gevraagde koelcapaciteit en dus wordt snelle afname van de compressoren verwacht. Hierbij wordt i.p.v. met een blokgolf, constant gestuurd.

Masterproef

24


Mabesoone Sam

De zuigklep dient ervoor te zorgen dat de zuigdruk in het lagedrukvloeistofvat niet te laag wordt. De zuigdruk mag niet te laag komen om ijsvorming in de platenwisselaars te voorkomen. Anderzijds zorgt de regelklep ervoor dat de zuigdruk aan de compressor niet te hoog wordt. De zuigdruk is begrensd tot overeenstemmend met 15°C, dit om eventuele schade aan de compressor en aan onderdelen na de compressor te voorkomen door een te hoge persdruk. De regelklep heeft een setpunt overeenstemmend met 0,3°C en een differentieelband van 0,2°C.

Figuur 7.2: Compressorregeling bij plus vraag

In het geval dat de drie compressoren uitgeschakeld zijn en er is een koellast in het bedrijf waardoor er de vraag naar koelcapaciteit stijgt, dan wordt deze gebeurtenis opgemeten doormiddel van een stijging van de zuigdruk, dit resulteert in een ActiePlus. Een compressor wordt ingeschakeld op een snelheid 50% (1500tr/min) en de capaciteitsschuif wordt versteld van min (10%) naar maximum (100%) positie, hierdoor is een onbelaste aanloop van de compressor gegarandeerd. Er is een vrijgavetijd van 30s totdat de frequentieomvormer het toerental opdrijft tot 100% (2950tr/min) bij een verdere ActiePlus. Daardoor is de eerste compressor op zijn volle capaciteit. Is er een blijvende ActiePlus dan is er een vrijgavetijd ingebouwd van 30s totdat een tweede compressor mag aanlopen. Opnieuw zal deze compressor eerst starten op een toerental van 50% en hierbij zijn capaciteitsschuif verstellen van minimum naar maximum. Is de compressorenchuif op maximum en is de vraag naar meer capaciteit nog aanwezig dan zal ook deze na een vrijgave tijd van 10s zijn toeren opdrijven tot 100%.

Figuur 7.3: Compressoregeling bij min vraag

Masterproef

25


Mabesoone Sam

Bij een afname van de gevraagde koelcapaciteit, dus bij een daling van de zuigdruk zal er een ActieMin gegeven worden. Dit betekent dat de compressor die het langst aan het draaien is eerst in capaciteit zal verminderen, dit door het toerental te verminderen per cyclus er een min actie gevraagd is. Bij een actieMin wordt de frequentie verminderd met 0,1% terwijl bij een actieMinMin dit met 5% per puls gebeurt. Wanneer het toerental tot op 50% gedaald is en er is een blijvende min vraag dan wordt het toerental van compressor twee verlaagd naar 50%. Is dit nog niet voldoende dan wordt de capaciteitsschuif van compressor één naar de mediumstand van 70% gebracht. De capaciteitsschuif van de tweede compressor wordt op dezelfde manier teruggebracht naar 70% bij een verdere stijging van de zuigdruk. Bij een blijvend gewenste afname wordt de schuifpositie van de eerst gestarte compressor naar 10% terug gebracht, deze compressor wordt na een vertragingstijd van 10s uitgeschakeld bij een blijvende min vraag. Wordt de vraag verder verminderd dan wordt ook de schuif van compressor twee naar 30% gebracht en vervolgens na een vertragingstijd van 10s uitgeschakeld. Stel dat de capaciteitsschuif op het minimum geplaatst werd en er geen verdere vraag naar minder capaciteit is, dan wordt de huidige compressor toch na 6 min uitgeschakeld, dit omdat de compressor bij deze instellingen een laag rendement heeft. Is er een sterke daling van nodige koelcapaciteit dan zal er een ActieMinMin gegeven worden, dit houdt in dat de afbouw van de compressorcapaciteit gelijkaardig verloopt als bij een ActieMin alleen gebeurt dit sneller, er wordt met een constant signaal gestuurd. Wanneer de werkelijke waarde met bijhorende differentieel niet overeen komt met de gewenste waarde dan zal de regeling een bevel uitsturen. De mogelijkheid bestaat dat tijdens het bijsturen van de compressoren het gebruik van koelwater in de productieprocessen wijzigt. Hierdoor zal er tijdens het bijsturen van de compressoren ook een stijging,daling of een constant verloop van de zuigdruk aanwijzig zijn, deze trend van de zuigdruk wordt opgemeten. voorstelling zuigdruk bij dalende belasting 3,5 3,0 2,5 2,0 zuigdruk [°C]

1,5 1,0 0,5 0,0 0

2

4

6

8

10

12

14

tijdopname [s] Trend zuigdruk 1

Trend zuigdruk 2

instelgrens DEMPING

Figuur 7.4: Voorstelling zuigdruk

Masterproef

26


Mabesoone Sam

Figuur 7.4 toont hoe de zuigdruk vlugger of trager kan dalen t.o.v. de instelgrens van de dempingsfunctie door wijziging van de koellast. Bij een ActiePlus en een dalend verloop van de zuigdruk groter dan 0,13°C/s (instelgrens DEMPING) zal de ActiePlus niet verzonden worden. Hierbij wordt de sturing naar een grotere afzuig van zuiggas gedempt omdat de zuigdruk reeds al een dalend verloop kent door een verminderde vraag naar koeling. Hetzelfde wanneer de zuigdruk aan het stijgen is met meer dan 0,13°C/s dan zal het bevel niet gegeven worden om de compressoren te laten dalen in capaciteit. Dit dempen van de stuuracties bevordert het voorkomen van pendelen van de compressoren.

Figuur 7.5: Zuigdruk demping

Een verdere uitbreiding van de regeling, is het aanpassen van een vast setpunt van de zuigdruk naar een variabel setpunt. Dit biedt de mogelijkheid om de vraag naar meer koeling tijdens periodes van grotere belasting beter te beantwoorden. Om het koelmiddel (NH3) binnen de technische ruimte te houden gebeurt de warmte-uitwisseling door middel van twee warmtewisselaars. Het is zo dat bij een te lage verdampingstemperatuur (< 0°C) in combinatie met een te klein temperatuurverschil tussen de gemiddelde water temperatuur en de verdampingstemperatuur gevaar voor bevriezing ontstaat. Wanneer er bevriezing van het ijswater in de warmtewisselaar ontstaat belemmert dit de doorstroming en bevordert dit verdere bevriezing. Dit leidt tot uitval van de ijswatercirculatie en verdere nefaste gevolgen voor de productie. In het geval van grotere belasting, tijdens een piekafname van ijswater, ondergaat de toevoertemperatuur van de warmtewisselaar een stijging. Hierdoor stijgt de gemiddelde watertemperatuur van de warmtewisselaar alsook de uitgangstemperatuur. Om deze ongewenst stijging van het ijswater op te vangen wordt de verdampingstemperatuur verlaagd. Belangrijk is dat bij het wegvallen van deze momentele grotere belasting de verdampingstemperatuur terug verhoogd wordt om bevriezing te vermijden.

Masterproef

27


Mabesoone Sam

Figuur 7.6: Variabel zuigdruk setpunt

Het is zo dat in het geval er twee compressoren op hun maximum capaciteit draaien dit betekent dat er een grote belasting aanwezig is. Naarmate de belasting groter wordt is het gewenst dat de compressoren meer werken. Het omgekeerde geldt ook, wanneer de belasting vermindert, daalt de zuigdruk en wordt het setpunt dus hoger genomen.

Masterproef

28


8 8.1

Mabesoone Sam

Werking van een koeltoren Algemeen De koeltoren heeft als functie de warmte, die door het koelwater uit de condensor is opgenomen, weer af te staan aan de buitenlucht. De condensor is hier een platenwisselaar met als primair circuit ammoniak gas en secundair koelwater. Bij het koelen wordt echter water verdampt, waardoor een lagere temperatuur bereikbaar is dan de temperatuur van de buitenlucht. Het koelwater wordt boven in de koeltoren uitgesproeid over een vulpakket, dat moet zorgen voor een groot contactoppervlak met de buitenlucht die in tegenstroom door de koeltoren stroomt. Door het verdampen van het water daalt de temperatuur van de lucht en stijgt de vochtigheidsgraad van de lucht. Theoretisch kan het koelwater gekoeld worden tot de natte boltemperatuur van de buitenlucht. Die temperatuur is afhankelijk van de temperatuur en vochtigheidsgraad van de lucht. Als ontwerp natte boltemperatuur wordt er 22°C genomen. Om kosten en afmetingen beperkt te houden ontwerpt men de koeltoren meestal op een afkoeling van het koelwater tot circa 27°C bij maximum buitencondities. Voor grote koelvermogens is een verdampingscondensor meestal de aangewezen oplossing aangezien de investeringskost lager is dan bij luchtgekoelde condensors, deze hebben een groter oppervlakte nodig. Een voordeel van een koeltoren t.o.v. een verdampingscondensor is dat de hoeveelheid koudemiddel beperkter is. Nadelen van de koeltoren zijn de noodzaak tot waterbehandeling, om algengroei en kalkafzetting te voorkomen en de kosten van het waterverbruik. De warmte wordt voornamelijk afgevoerd door verdamping van water, het verdampingsverlies moet dus worden aangevuld.

Figuur 8.1: Schema Koeltoren

Het waterverbruik kan globaal berekend worden aan de hand van de verdampingswarmte van water (ca. 2550kJ/kg). Ook is het zo dat er een minimum aan waterdebiet nodig is om aankalken te voorkomen, dit valt onder de term “spuien”. Gemiddeld wordt er gerekend met een half deel spoelwater per volledig deel verdampingswater. De buitenlucht wordt met axiaalventilatoren of centrifugaalventilatoren door de koeltoren gezogen of geperst. In de meeste gevallen wordt de lucht door de koeltoren geperst om de ventilator en motor droog te houden. Belangrijk hierbij is dat de koeltoren niet zijn eigen warme vochtige lucht kan aanzuigen. Aan de uitgang zijn op de koeltoren druppelvangers aangebracht om het waterverlies te beperken.

Masterproef

29


Mabesoone Sam

Open koeltoren

Bij de open koeltoeren wordt het te koelen water naar de bovenkant van de koeltoren gebracht. De sproeiers (8) verdelen het water zo gelijk mogelijk over de koelpakketten (6). Door de vorm van het koelpakket wordt het water in een dunne en egale film verspreid. Hierdoor ontstaat er een zeer groot contactoppervlak (warmtewisselend oppervlak). De ventilator blaast omgevingslucht door de koelpakketten. Deze lucht koelt op 2 verschillende manieren het koelwater. Een deeltje van de warmte wordt onttrokken door convectie (contact tussen warm water en koudere lucht) maar het grootste deel van de koeling wordt gecreëerd door verdamping. De door vocht verzadigde lucht wordt daarna langs boven uitgeblazen. Het gekoelde water valt onderaan in de opvangbak (7) om terug in circulatie in het productieproces te worden gebracht. De druppelafscheiders (9) boven de sproeiers zorgen ervoor dat de waterdruppels de koeltoren niet kunnen verlaten.

(1): inlaat omgevingslucht (2): uitlaat opgewarmde/bevochtigde lucht (3): toevoer warm koelwater (4): afvoer koud koelwater (5): waterdoorstroming (6): koelpakket (7): opvangbak (8): water verdeel systeem (9): druppelafscheider

Figuur 8.2: Open koeltoren

Hier is er de bemerking dat het water telkens verzadigd wordt met zuurstof en vervuild wordt door de ingeblazen omgevingslucht. Dit betekent dat een secundaire warmtewisselaar (W20B) uitgevoerd in roestvrijstaal een noodzakelijkheid is. Daarenboven is er een niet over het hoofd te zien nadeel, namelijk de mogelijkheid op Salmonella besmetting, dit betekend dat een bijkomstige investering vereist is.

Masterproef

30


Mabesoone Sam

Gesloten koeltoren

Als het te koelen water niet in contact mag komen met de lucht is het nodig gebruik te maken van een warmtewisselaar. Deze warmtewisselaar scheidt het te koelen proceswater van het “verdampingswater” van de koeltoren. Op deze manier komt het te koelen proceswater niet in contact met de lucht en is er een beperkte waterinhoud.

(1): inlaat omgevingslucht (2): uitlaat opgewarmde/bevochtigde lucht (3): toevoer warm koelwater (4): afvoer koud koelwater (6): opvangbak (7): waterverdeelsysteem (8): koelpakket (9): pomp (10): druppelafscheider (11): condensering

Figuur 8.3: Gesloten koeltoren

8.3.1 Proceskant Het te koelen proceswater wordt door de ingebouwde warmtewisselaar (8) gevoerd. In de warmtewisselaar wordt de warmte van het te koelen water (proceskant) overgedragen aan het koelwater van de koeltorenkant. Op deze manier is het proceswater opnieuw afgekoeld en kan het hergebruikt worden als koelwater in de installatie. Het te koelen proceswater circuleert in een gesloten circuit (3-4) tussen de verbruikers (productiemachines, condensors e.d.) en de warmtewisselaar. Hierbij is er geen menging met vuildeeltjes en zuurstof mogelijk. Er kan gebruik gemaakt worden van glycolwater. 8.3.2 Koeltorenkant Het koelwater valt door de koelpakketten (8) en wordt verzameld in het bassin onderaan(6). Daar wordt het opnieuw koude water door de recirculatiepomp (9) over de sproeiers (7) terug naar de warmtewisselaar gevoerd om opnieuw te worden gebruikt. Het water wordt gekoeld door de lucht (1) die door de ventilator(en) in tegenstroom wordt geperst. Deze lucht warmt op en raakt verzadigd met waterdamp na contact met het water dat over de koelpakketten vloeit. De lucht (2) verlaat dan de toren via de bovenzijde. De druppelafscheiders (10) boven de sproeiers zorgen ervoor dat de waterdruppels de koeltoren niet kunnen verlaten. Het is zo dat bij de gesloten koeltoren er een temperatuursverschil (dT) aanwezig is tussen de omgevingstemperatuur en de gemiddelde temperatuur van de warmtewisselaar. Een tweede dT is aanwezig in de platenwisselaar waar het koelmiddel gecondenseerd wordt.

Masterproef

31


Mabesoone Sam

Verdampings condensor

Het is zo dat de werking gelijkaardig is als deze van een gesloten koeltoren. Alleen is het zo dat bij een verdampingscondensor het te condenseren koelmiddel doorheen een ingebouwde warmtewisselaar stroomt in de koeltoren i.p.v. het koelwater. Hierbij is er maar één temperatuursverschil tussen het koelmiddel en de omgevingslucht, dit is bevorderend naar energie-efficiënte. Er kan 3 à 5°C lager worden gecondenseerd bij dezelfde omgevingstemperatuur. Dit geeft een energiewinst van 9 à 15%.

(1): inlaat omgevingslucht (2): uitlaat opgewarmde/bevochtigde lucht (3): toevoer koelmiddel damp (4): afvoer koelmiddel vloeistof (6): opvang bassin (7): waterverdeelsysteem (8): koelpakket/warmtewisselaar (9): pomp koelwater (10): druppelafscheider (11): condensering

Figuur 8.4: Verdampingscondensor

Een uitbreiding is de hybride condensor. De hybride condensor combineert droge en natte koeling om voldoende warmte afgifte te bekomen. Tijdens periodes van hoge omgevingstemperaturen wordt de droge koeling ondersteund door middel van bevochtiging die leidt tot verdamping van het gesproeide water. Bij midden en lagere omgevingstemperaturen wordt droge koeling toegepast.

(1): inlaat omgevingslucht (2): uitlaat opgewarmde/bevochtigde lucht (3): toevoer koelmiddel damp (4): afvoer koelmiddel vloeistof (6): opvang bassin (7): waterverdeelsysteem (8): natte warmtewisselaar (9): pomp koelwater (10): druppelafscheider (12): droge warmtewisselaar (13): geregelde luch inlaat (14): servomotor (15): druksensor

Figuur 8.5: Hybridecondensor

Masterproef

32


9

Mabesoone Sam

Detail omschrijving koeltorenregeling

Het condenseren van de ammoniakdamp gebeurt via 2 platenwisselaars in de machinekamer. Hierdoor blijft de ammoniak in de machinekamer en is de installatie inhoud beperkt. Boven de machinekamer staat op het dak voor ieder platenwisselaar een bijhorende koeltoren. Er zijn drie pompen waarvan telkens één in reserve, die zorgen voor het nodige debiet. De koeltorens beschikken elk over een eigen toerentalgeregelde ventilator.

Figuur 9.1: Schema koeltorens

Masterproef

33


Mabesoone Sam

Het setpunt van de persdruk is ingesteld op 25°C. Hierbij is een differentieelband van 1°C en een quickdifferentieelband van 4°C ingesteld. GemetenWaarde >= (Setpunt + Differentieel) = ActiePlus GemetenWaarde <= (Setpunt - Differentieel) = ActieMin GemetenWaarde <= (Setpunt - DifferentieelQuickAction) = ActieMinMin Bij een overschreiding van het setpunt met bijhorende differentie wordt er een actieplus gegeven. Dit gebeurt telkens doormiddel van een pulspauzetrein, dit is een blokgolf die 25 PLC-cyclussen hoog en 40 PLC-cyclussen laag gemaakt is. Hierbij worden eerst de pompen per koeltoren ingeschakeld. Bij een verder plusactie worden de ventilatoren per koeltoren opgedreven in toeren. 1-> Pomp koeltoren 1 2 -> Pomp koeltoren 2 3 -> Ventilator koeltoren 1 wordt m.b.v. een frequentieomvormer aangestuurd 4 -> Ventilator koeltoren 2 wordt m.b.v. een frequentieomvormer aangestuurd

Figuur 9.2: Koeltorenregeling bij plus vraag

Bij een plusactie is er een vertragingstijd van 45s geprogrammeerd. Dit dient ervoor om pendelen te voorkomen. Bij een verdere afwijking van het setpunt is deze vertragingstijd beperkt tot 10s.

Figuur 9.3: Koeltorenregeling bij min vraag

Masterproef

34


Mabesoone Sam

10 Optimalisatie Om een voorstel van een regelstrategie uit werken is het belangrijk de belasting te kennen. Eens deze koellast gekend is wordt het mogelijk een regelstrategie voor de compressoren alsook voor de koeltorens uit te werken. 10.1 Belastingsprofiel De totale koellast bestaat uit de koellast van verschillende productieprocessen. Een eerste koellast is die van het productieproces, Bricks genaamd tezamen met de koellast van het CUP proces. De CUP koellast bevat een aantal relatief kleine afnemers met daarbij de Yofu koellast. Deze laatst genoemde belasting is een bijkomende piekbelasting van 800kW op 50min.

Figuur 10.1: Belastingsprofiel Yofu proces 23/02/2010

Masterproef

35


Mabesoone Sam

Figuur 10.2: Belastingsprofiel CUP proces 23/02/2010

De koellasten worden gemeten na het buffervat van de ijswaterverdeling en zijn weergegeven op de grafieken. Door het buffervat en de regeling van de ijswaterinstallatie worden de belastingspieken zo goed als mogelijk opgevangen. Voor de compressoren betekent dit dat de belasting gespreid wordt en na-ijlend is.

Masterproef

36


Mabesoone Sam

De koellast van de CUP tezamen met de koellast afkomstig van de BRICKS is de totale koellast. Deze wordt weergegeven doormiddel van figuur 10.3.

Figuur 10.3: Totaal belastingsprofiel 23/02/2010

De ijswaterinstallatie wordt geregeld volgens twee modes. Mode 1 zonder de Yofu belasting en Mode 2 wanneer de Yofu belasting actief is. Deze regeling van de ijswaterinstallatie zorgt voor een zo optimaal mogelijke afname van het ijswater.

Masterproef

37


Mabesoone Sam

Door buffering wordt een koelvermogen opgeslaan die tijdens belasting afgegeven wordt. Tijdens piekbelastingen betekent dit dat de koelcapaciteit van de compressoren tezamen met de gebufferde koelcapaciteit de vraag van de belasting opvangt. Hierbij zien we een positieve piek van de COP. Bij het wegvallen van de koellastpiek is er een blijvende koelcapaciteit van de compressoren nodig om het buffervat te koelen terwijl er een kleinere koellast gevraagd is. Dit zorgt voor een negatieve piek in het verloop van de COP.

Figuur 10.4: Verloop van de COP 23/02/2010

Masterproef

38


Mabesoone Sam

11 Gedrag van de Mycom schroefcompressor SCV N200 VMD Met behulp van de simulatiesoftware van Mycom kan het gedrag van de compressor gesimuleerd worden.

Figuur 11.1: Voorstelling van de Mycom simulatiesoftware

In de software moeten een aantal instellingen gebeuren zoals het bepalen van het type compressor, verdampingstemperatuur, condensatietemperatuur, onderkoeling, oververhitting, schuifpositie en het toerental van de compressor. Door middel van de simulatiesoftware is het mogelijk om de verschillende invloeden op de COP van de compressor te bestuderen.

Masterproef

39


Mabesoone Sam

11.1 Vollastbedrijf 11.1.1 Invloed van de persdruk op de COP Bij een toerental van 2950tr/min en een schuifpositie van 100% wordt de condensatietemperatuur aangepast van 22 tot en met 35°C. Bij het uitzetten van deze simulatieresultaten wordt onderstaande grafiek bekomen. COP, Qo ifv Tc met n=2950 tr/min, cap schuif=100% 1070

8 7,8 7,6 7,4 7,2 7 6,8 6,6 COP 6,4 6,2 6 5,8 5,6 5,4 5,2 5

1060 1050 1040 1030 Qo [kW] 1020 1010 1000 990 980 970 20

22

24

26

28

30

32

34

36

Tc [°C] Qo ifv Tc

COP ifv Tc

Figuur 11.2: Invloed van de condensatietemperatuur op de COP

Hierbij is duidelijk te zien dat bij een toenemende condensatietemperatuur de COP sterk daalt. Bij een stijging van 1°C daalt de COP met 2,5%. De daling in koelvermogen, voorgesteld door Q0, verloopt parallel met de daling van COP in functie van de condensatietemperatuur.

Masterproef

40


Mabesoone Sam

11.2 Deellastbedrijf In functie van de koellast zal het koelvermogen van de compressor aangepast worden. Het koelvermogen kan gewijzigd worden door de capaciteitsschuif te verstellen ofwel door het toerental aan te passen. 11.2.1 Invloed van schuifpositie op de COP Door de schuif te verstellen naar zijn minimum capaciteit positie kan het koelvermogen worden verminderd. COP, Qo ifv schuif psoitie met n=2950tr/min 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 COP 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

1150 1050 950 850 750 650 Qo [kW] 550 450 350 250 150 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

schuifpositie [%] COP ifv schuifpositie, Tc=25°C

COP ifv schuifpositie, Tc=30°C

COP ifv schuifpositie, Tc=35°C

Qo ifv schuifpositie, Tc=25°C



Figuur 11.3: Invloed positie van de capaciteitsschuif op de COP

Door de capaciteitsschuif richting zijn minimum positie te plaatsen zal het koelvermogen van de compressor verminderen. De daling van het koelvermogen gebeurt evenredig met de schuif positie. Bij het verminderen van de schuifpositie zal de COP een daling kennen die sterker wordt wanneer de schuif verder naar zijn minimum geplaatst wordt.

Masterproef

41


Mabesoone Sam

Debiet en koelvermogen ifv schuifpositie n=3600tr/min

zuiggas kg/h

4100 3900 3700 3500 3300 3100 2900 2700 2500 2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900

1400 1300 1200 1100 1000 900 800

Qo [kW]

700 600 500 400 300 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 110

schuifpositie % debiet ifv schuif, Tc =25°C debiet ifv schuif, Tc =35°C Qo ifv schuif, Tc=30°C

debiet ifv schuif, Tc =30°C Qo ifv schuif, Tc=25°C Qo ifv schuif, Tc=35°C

Figuur 11.4: Invloed positie van de capaciteitsschuif op het debiet en koelvermogen

Het verloop van het koelvermogen in functie van de schuifpositie kan verklaard worden door het debiet in functie van de schuifpositie. Wanneer de schuif naar voren geplaatst wordt, dus richting minimum positie, dan zal de bypass opening langer worden. Het nuttig ingesloten volume die wordt samengeperst zal kleiner zijn. Dit zorgt voor een dalend debiet en een kleinere COP.

Masterproef

42


Mabesoone Sam

11.2.2 Invloed van het toerental op de COP Het minimum toerental van de compressor is 1450 tr/min, dit om voldoende koeling van de motor door de ingebouwde motorventilator te behouden. Om het koelvermogen op te drijven wordt het toerental verhoogd tot 3600tr/min, 60Hz. COP, Qo ifv toerental met schuif=100% 7,5

1400

7

1200 1000

6,5

800 COP

6

Qo [kW] 600

5,5

400

5

200

4,5

0

1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 n [tr/min] COP ifv n, Tc=25°C

COP ifv n, Tc=30°C

COP ifv n, Tc=35°C

Qo ifv n, Tc=25°C

Qo ifv n, Tc=30°C

Qo ifv n, Tc=35°C

Figuur 11.5: Invloed van het toerental op de COP

Er is op te merken dat vanaf 3100 toeren/min de grafiek een onregelmatig verloop kent. Het is zo dat de motor een asvermogen heeft van 200kW en frequentiegestuurd is. Door 5% derating van de frequentieomvormer is er een maximaal as vermogen van 190kW. Bij de simulatie is dit bij 3100 tr/min. Met de bestaande motor kan er maximaal 3100tr/min behaald worden. De COP kent een verschil van minder dan 0,5. Bij een toenemend toerental zal de COP van de compressor stijgen, dit is te verklaren doordat bij een toenemend toerental de omtreksnelheid stijgt waardoor er een grotere centrifugaal werking plaatsvindt. Dit bevordert de schroefafdichting door de geïnjecteerde olie, dit effect wordt versterk bij een toenemende schroefdiameter.

Masterproef

43


Mabesoone Sam

11.2.3 Invloed van schuifpositie en het toerental op de COP Aan de hand van voorgaande verlopen van de COP is er af te leiden dat de meest gunstige COP bekomen wordt wanneer de compressor in vollast werkt. Dit betekent bij een schuif positie geheel naar achteren en een zo groot mogelijk toerental. De instellingen van de compressor zijn afhankelijk van het gevraagd koelvermogen. Het is zo dat de schuifpositie voor een sterkere variatie van de COP zorgt dan het toerental. Om de compressor onbelast te laten aanlopen wordt de schuif in zijn minimum positie geplaatst. COP ifv schuifpositie en toerental

schuif positie [%]

110

3600

100

3400

90

3200

80

3000

70

2800

60 50

2600 toerental 2400 [tr/min]

40

2200

30

2000

20

1800

10

1600

0

1400 2,8

3

3,2 3,4 3,6 3,8

4

4,2 4,4 4,6 4,8

5

5,2 5,4

COP COP ifv schuif, n=1500tr/min

COP ifv n, schuif=100%

Figuur 11.6: Invloed positie van de capaciteitsschuif en het toerental op de COP

Bij het verplaatsen naar de maximum positie van de capaciteitsschuif bij 1500tr/min is er een stijging van de COP. Wanneer de schuif zijn maximum positie bereikt heeft en het toerental verder wordt verhoogd is er een blijvende stijging van de COP waarneembaar.

Masterproef

44


Mabesoone Sam

Aan de hand van de Mycom simulatiesoftware kan het debiet van de compressor bepaald worden. In functie van de schuifpositie is de bypass werking van de schroefcompressor te zien. Debiet ifv schuifpositie

debiet kg/h 4100 3900 3700 3500 3300 3100 2900 2700 2500 2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900

Tc =25°C, n=3600tr/min Tc =30°C, n=3600tr/min Tc =35°C, n=3600tr/min

schuifpositie % 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Figuur 11.7: Invloed schuifpositie op het debiet

Bij een schuifpositie van 100%, 3600tr/min is er een verplaatst debiet van 3941kg/h. Dit is een debiet van 1180m³/h aan de zuigzijde en een debiet van 538m³/h aan de perszijde.

Masterproef

45


Mabesoone Sam

11.2.4 Invloed van de Vi-instelling op de koelcapaciteit en de COP COP en Qo ifv schuif bij gewijzigde Vi, Tc=35°C 5,5 5 4,5 4 3,5 3 COP 2,5 2 1,5 1 0,5 0

2000 1800 1600 1400 1200 1000 Qo [kW] 800 600 400 200 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

schuifpositie [%] COP ifv schuif met Vi=2,63, n=1500tr/min

COP ifv schuif met Vi=3,65, n=1500tr/min

COP ifv schuif met Vi = 5,8, n=1500tr/min




Qo ifv schuif met Vi=2,63, n=1500tr/min






Figuur 11.8: Invloed van de Vi-instelling op de COP

Figuur 11.8 toont het verloop van de COP en het koelvermogen in functie van de positie van de capaciteitsschuif. De verdampingstemperatuur is -1°C. De COP en het koelvermogen bij een Vi instelling gelijk aan 2,63 geven de beste resultaten. Dit is echter wel een condensatietemperatuur gelijk aan 35°C. Zoals eerder aangehaald stijgt het koelvermogen en de COP van de compressor bij een hoger toerental. De groen getinte grafieken stellen het koelvermogen voor i.f.v. de schuifpositie. Het is zo dat bij 100% schuif positie de koelcapaciteit ongeveer gelijk is bij eender welke Vi-instelling, alleen zal het opgenomen vermogen bij een grotere Vi-instelling groter zijn voor diezelfde koelcapaciteit dit doordat de compressor een elektrisch opgenomen vermogen gebruikt als overcompressie. Onderstaande tabel toont de simulatieresultaten voor een gewijzigde Vi-instelling. Tabel 11.1: Invloed Vi-instelling op de COP 1500 tr/min Vi-wijziging

Pelek[%]

Qo[%]

COP[%]

2,63 -> 3,65

1,4

-11,3

-12,8

3,65 -> 5,8

11,6

-8,8

-23,1

3600 tr/min Vi-wijziging

Pelek[%]

Qo[%]

COP[%]

2,63 -> 3,65

1,6

-8,2

-9,9

3,65 -> 5,8

11,8

-6,9

-21,1

Masterproef

46


Mabesoone Sam

11.3 Vi correctie i.f.v. de drukvallen aan de zuig- en perszijde Bij een type compressor met variabele Vi-instelling is het mogelijk de optimale volumeverhouding in te stellen volgens de externe bedrijfscondities van dat moment (zuigdruk, einddruk). De instelling gebeurd zodat de druk in de tandruimten bij het bereiken van de uittredeopening gelijk is aan de externe einddruk, op die manier blijft het verlies in de compressiefase klein waardoor op dat moment het kleinste aandrijfvermogen opgenomen wordt. De berekening van de optimale positie van de Vi-schuif gebeurt in de sturing van de compressor volgens vergelijking 11.1. Compressoren met een vaste Vi-instelling zoals de geïnstalleerde Mycom compressoren bij Alpro worden ingesteld met een bestpassende Viinstelling.

Vi=

pd ps

1 k

(11.1)

Met Vi de interne volumeverhouding pd de discharge pressure ps de suction pressure k de isotropen exponent gelijk aan 1,32 voor R717

Figuur 11.9: Voorstelling van de drukvallen op de compressor unit

De persdruk wordt opgemeten na de compressor unit, de zuigdruk wordt voor de compressorunit gemeten. Dit betekent dat de bijkomende drukvallen over de compressor unit meegerekend moeten worden om een correcte Vi-instelling te bekomen.

Masterproef

47


Mabesoone Sam

11.3.1 Bepaling van de bijkomstige drukvallen Met behulp van de Danfoss software werden de drukvallen bepaald.

Figuur 11.10: Bepaling van de drukval over de zuiggasfilter

Tabel 11.2: Overzicht van de voornaamste drukvallen

component

merk

Zuiggasfilter

10C.06

Zuigterugslagklep Buis 5m

10C.07

Persgas afsluiter/terugslagklep 10C.10 Olieafscheider(Vessel)

10C.B.02

Drukvallen Zuigzijde type MYCOM SSD250 + SSD250E MYCOM M150G25GPP DN150

Perszijde AWP RVA 328 22-DN80

drukval [barA]

dT [°C] 0,02400

0,13300

0,03000 0,00104 totale drukval [barA] 0,05194

0,25700 0,00662 totale dT [°C] 0,39662

0,258

1,69

0,3 totale drukval [barA] 0,558

0,8 totale dT [°C] 2,49

Op basis van de condensatietemperatuur volgens het aantal uren per jaar bij de oorspronkelijke regeling word de Vi berekend rekening houdend met de drukvallen. Masterproef

48


Mabesoone Sam

Tabel 11.3: Optimale Vi uren/jaar

Tc[°C]

0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,7 2,2 18,2 784,0 2166,0 2562,0 1585,8 622,3 392,0 256,7 183,4 115,9 42,7 14,5 10,9 0,9 0,2 0,2 0,3 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0

Pc [barA]

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Vi volgens drukverhoudingen To Po [barA] Vi op basis van Vi met bijkomende aandeel [°C] gemeten drukvallen (tabel uren/jaar [%] drukken [barA] 11.2) [barA]

7,284 7,529 7,781 8,038 8,303 8,573 8,851 9,135 9,426 9,725 10,03 10,343 10,663 10,991 11,326 11,669 12,02 12,378 12,745 13,12 13,503 13,895 14,295 14,704 15,122 15,548 15,984 16,924 16,883 17,346 17,819

gemiddelde Vi

gewogen gemiddelde Vi

2,227

1,975

-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1

4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359 4,1359

1,535 1,574 1,614 1,654 1,695 1,737 1,780 1,823 1,867 1,911 1,956 2,003 2,049 2,097 2,145 2,194 2,244 2,294 2,346 2,398 2,451 2,504 2,559 2,614 2,670 2,727 2,785 2,908 2,903 2,963 3,024

1,535 1,574 1,614 1,654 1,695 1,737 1,780 1,823 1,867 1,911 1,956 2,003 2,049 2,097 2,145 2,194 2,244 2,294 2,346 2,398 2,451 2,504 2,559 2,614 2,670 2,727 2,785 2,908 2,903 2,963 3,024

0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,01% 0,03% 0,21% 8,95% 24,73% 29,25% 18,10% 7,10% 4,48% 2,93% 2,09% 1,32% 0,49% 0,17% 0,12% 0,01% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00%

Met po de verdampingsdruk pc de condensatiedruk To de verdampingstemperatuur Tc de condensatietemperatuur De perspoort opening op de Mycom compressoren is ingesteld op de grootste poort opening die overeenkomt met een interne volumeverhouding (Vi) van 2,63. Op basis van de condensatietemperaturen is gebleken dat de meest optimale Vi kleiner is, namelijk 1,9.

Masterproef

49


Mabesoone Sam

Om de invloed van een kleinere Vi op de COP te zien werd de vergelijking gemaakt met een compressor van het merk Grasso, met een variabele Vi-instelling. Tabel 11.4 bevat de resultaten van de COP i.f.v. de Vi instelling. Hierbij is op te merken dat de kleinst mogelijk instelbare Vi van de Grasso compressor 2,2 bedraagt. Tabel 11.4: Vi vergelijking vast (Mycom) en variabel (Grasso)

Mycom N200VLD

Grasso

To= -1°C

Tc [°C]

35

RR2240S 25 Tc [°C]

To= -1°C 35

25

Pe [kW]

180,8

145 Pe [kW]

183,8

141

Qo [kW]

960,8

1023 Qo [kW]

972,2

1016

5,3

7,2

2,7

2,2

COP Vi (vast)

5,3 2,63

7,1 COP 2,63 Vi(variabel)

Bij ontwerpcondities voor de condensatie temperatuur gelijk aan 35°C, blijft de optimale Viinstelling alsook de COP van de Grasso compressor gelijk aan de Mycom compressor. In het geval er gewerkt wordt bij een lagere condensatietemperatuur gelijk aan 25°C, is de meest optimale Vi-instelling 2,2. Hierbij is een kleine stijging van de COP merkbaar. 11.4 Conclusies De resultaten van de simulaties tonen aan dat zowel bij een vermindering van schuifpositie als van het toerental de COP een dalend verloop kent. De COP van de compressor zal het hoogst zijn bij zijn maximaal toerental en volledig naar achteren geplaatste schuif, een schuifpositie gelijk aan 100%. Hierbij kan verder besloten worden dat bij een toenemend koelvermogen, de meest optimale regeling voor één compressor die is waarbij eerst de capaciteitsschuif volledig naar 100% gestuurd wordt en daarna het toerental wordt opgetoerd. Bij het verminderen van de koellast zal de meest optimale regeling erin bestaan de capaciteitsschuif zolang mogelijk op 100% te houden. Het minderen in koelvermogen wordt gerealiseerd door het toerental naar het minimum te sturen en daarna de schuif naar de minimumpositie. De gesimuleerde verbetering van de COP door middel van een aangepaste Vi-instelling i.f.v. de drukcondities bij de Mycom en de Grasso compressor heeft een minieme invloed ter verbetering van de COP. Het is zo dat de ombouw van Mycom compressor door de fabrikant werd afgeraden.

Masterproef

50


Mabesoone Sam

12 Voorstel compressor regeling Door de monitoringsoftware is het mogelijk de tijdsuur en het tijdsgewogen gemiddelde van de koellast te bepalen. De koellast in MODE 1 (zonder Yofu-belasting) heeft een gemiddelde waarde van 509kW, in MODE 2 (met Yofu-belasting) is de koellast 1058kW groot. Tabel 12.1: Koellast in mode 1 en mode 2

Koellast mode 1 [kW] 553,8 04jan-11jan 541,0 11jan_18jan 488,1 18jan_25jan 535,3 25jan_1feb 523,9 1feb_8feb 413,8 8feb_15feb 509,3 gemiddeld

mode 2 1060,8 967,1 1180,2 987,1 1236,2 917,9 1058,2

Hierbij wordt verder aangenomen dat de koellast een grootte kent van 500kW en 1000kW dit om het rekenen te bevorderen. Op jaarbasis is de koellast 841u/jaar (9,6%/jaar) gelijk aan 1000kW en 7918u/jaar (90,4%/jaar) gelijk aan 500kW. Tabel 12.2: Compressor capaciteit

Koelcapaciteit [kW] 1 compressor 200 300 400 500 600 700 800 1034 1260

Toerental [tr/min] 1450 1450 1450 minimum 1555 1830 2100 2368 3000 maximum i.f.v. Tc 3600 maximum i.f.v. Tc

Schuifpositie [%] 42 66 88 100 100 100 100 100 100

COP compressor 4,5 5,5 6 6,61 6,67 6,9 7 7 7,1

In mode 1 is de koelcapaciteit van 1 compressor voldoende om de koellast op te vangen aangezien de koellast varieert van 200kW tot 1000kW met een gemiddelde waarde van 509kW. In mode 2 is gekend dat de belasting een bijkomende piekbelasting heeft van ongeveer 800kW op 50min. Hierbij is de belasting gemiddeld 1000kW, van 600kW tot 1300kW Wanneer er een koelcapaciteit gewenst is en geen enkele compressor ingeschakeld is, handelt de compressorregeling als volgt. De compressor minimum instellingen zijn1450tr/min en 30% instelling van de capaciteitsschuif. In het geval van zuigdruk stijging wordt een actieplus in het PLC gegenereerd. Hierbij wordt enkel één compressor van de drie beschikbare opgestart. Bij verdere actieplus wordt eerst de schuif naar 100% gestuurd. Daarna bij volgende plusacties moet de compressor optoeren naar het maximum toerental. Dit is afhankelijk van de condensatietemperatuur, omwille van het feit dat bij een hogere condensatietemperatuur er

Masterproef

51


Mabesoone Sam

een groter elektrisch vermogen door de motor wordt opgenomen. Dit is te verklaren doordat de tegendruk vanaf de perszijde hoger wordt. Een maximum toerental wordt bereikt bij 60Hz ofwel 3600tr/min. Onderstaande grafiek toont het verloop van het maximum toerental i.f.v. de condensatietemperatuur, er wordt rekening gehouden met het vermogensverlies, 5% en 10% derating, door gebruik van een frequentieomvormer. n ifv Tc

n [tr/min] 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 23

25

27

29

31

y = -57x + 5085 5% derating

33

35

37

y = -61x + 5115

39

41

43

45

47 Tc [°C]

10% derating

Figuur 12.1: Maximaal toerental i.f.v. Tc

Wordt de koellast kleiner dan wordt een actiemin gegenereerd. Dit houdt in dat per actiemin de compressor eerst zal aftoeren en daarna de capaciteitsschuif achteruit gestuurd wordt (min 30%). Bij het bereiken van de minimum koelcapaciteit (154kW/Tc=25°C) van de compressor en verdere actiemin wordt de compressor uitgeschakeld na 1min, om een ongunstige COP te vermijden. De uitschakeling van de compressor vertragen is nodig het om aantal start-stop momenten per uur het te beperken. Bij verdere stijgende koellast en het bereiken van het maximaal toerental zal bij een volgende actieplus een tweede compressor opgestart worden. Compressor 2 start op 1450tr/min en de schuif wordt van 30% naar 100% gestuurd. Na het bereiken van 100% wordt compressor 2 verplicht stapsgewijs op te toeren.

Figuur 12.2: Overgang van één naar twee compressoren

De totale koelcapaciteit zal toenemen en de zuigdrukregeling zal actiemin uitsturen naar compressor 1, waardoor die afgetoerd wordt. Wanneer beide compressoren op gelijk toerental Masterproef

52


Mabesoone Sam

werken wordt de zuigdrukregeling geldig voor beide compressoren. Tijdens actiemin/actieplus worden beide compressoren bijgeregeld. De compressoren werken hierbij op een gelijk toerental. Dit zorgt ervoor dat beide compressoren een gelijke koelcapaciteit produceren. Bij iedere actieplus worden beide compressoren opgetoerd tot een maximum i.f.v. de condensatietemperatuur. Bij iedere actiemin worden de compressoren telkens afgetoerd tot het minimum van 1450tr/min.

Figuur 12.3: Overgang van twee naar één compressor Tabel 12.3: Maximale koelcapaciteit i.f.v. de condensatietemperatuur

Koelcapaciteit [kW] 1450tr/min 10% derating (Pel=180kW) 35°C 428 25°C 462

3000tr/min

3600tr/min

Cap schuif=100%

971 /

/ 1260

971/(2*428)=1,13 1260/(2*462)=1,36

De minimum koelcapaciteit wordt behaald bij 1450tr/min en 100% capaciteitschuif. De schuif wordt op 100% gehouden om de COP zo optimaal mogelijk te houden. In deze minimuminstelling is een leverbare koelcapaciteit ter beschikking afhankelijk van de condensatietemperatuur. Bij verdere actiemin wordt de eerst opgestarte compressor afgelegd. De nog resterende koellast wordt opgevangen door één compressor. Door het uitschakelen van een compressor zal door de zuigdrukregeling de andere compressor optoeren. Deze compressor heeft de mogelijkheid om minimaal 13% in koelcapaciteit te stijgen bij een condensatietemperatuur van 35°C. In het geval de condensatietemperatuur 25°C bedraagt is er een overlapping van 36% koelcapaciteit ter beschikking, dit vermijdt dat de regeling pendelt tussen één en twee compressoren. Tabel 12.4: COP van twee compressoren i.f.v. de koelcapaciteit

Koelcapaciteit [kW] 2 compressoren 2*300 2*400 2*500 2*600 2*700 2*800 2*1034

Masterproef

Toerental [tr/min]

Schuifpositie [%]

COP compressoren

1450 1450 minimum 1555 1830 2100 2368 3600 maximum

66 88

5,5 6

100 100 100 100 100

6,61 6,67 6,9 7 7,1

53


Mabesoone Sam

Op het moment dat de koellast even groot is geworden als de te leveren koelcapaciteit van één compressor. Is het nodig een tweede compressor in te schakelen bij een volgende plusactie. Hierbij bestaat de mogelijkheid om de compressoren een verschillende koelcapaciteit te laten leveren. Of dit zorgt voor een verbeterde COP wordt hieronder onderzocht. Tabel 12.5: De totale COP met verschillende koelcapaciteit

koellast [kW] 1000 1000 1000 1100 1100 1200 1200 1300 1300 1500 1500

COP Qo1 6,56 6,46 6,33 6,62 6,62 6,67 6,69 6,74 6,75 6,84 6,86

Qo2

Pel1

Pel2

500 500 76,2 76,2 600 400 89,9 64,9 700 300 103,2 54,7 550 550 83,1 83,1 500 600 76,2 89,9 600 600 89,9 89,9 500 700 76,2 103,2 650 650 96,5 96,5 500 800 76,2 116,4 750 750 109,6 109,6 500 1000 76,2 142,5

COP comp 1 6,56 6,67 6,78 6,62 6,56 6,67 6,56 6,74 6,56 6,84 6,56

COP comp 2 6,56 6,16 5,48 6,62 6,67 6,67 6,78 6,74 6,87 6,84 7,02

In het geval dat beide compressoren een gelijke koelcapaciteit leveren is de gezamenlijk COP 0,02 kleiner dan in het geval dat de compressoren een verschillende koelcapaciteit leveren. Hierbij weegt het behaalde profijt aan een hogere COP niet op tegen een complexere sturing.

Masterproef

54


Mabesoone Sam

Door middel van figuur 12.4 wordt de compressorregeling grafisch voorgesteld.

1: Inschakeling van eerste compressor door actieplus. 2: Maximum koelcapaciteit van één compressor is bereikt en een tweede compressor wordt verplicht stapsgewijs op te toeren bij een schuifpositie van 100%. 3: Beide compressoren draaien op gelijk toerental, de zuigdrukregeling is geldig voor beide compressoren. 4: Beide compressoren leveren hun maximum koelcapaciteit i.f.v. de condensatietemperatuur. 5: De twee compressoren bereiken hun minimum koelcapaciteit. Bij volgende actiemin wordt de eerst opgestarte compressor uitgeschakeld. 6: Grens die de maximum koelcapaciteit per compressor voorstelt.

Masterproef

55


Mabesoone Sam

13 Voorstel koeltorenregeling

Figuur 13.1: Schema van de condensors met pompen en koeltorens

13.1 Algemeen Het minimum waterdebiet is 21 l/s (75,6m³/h) en bedraagt maximum 70l/s (252m³/h). Dit minimum debiet is het bevloeiingsdebiet nodig om mineraliseren te voorkomen. Indien een groter debiet gewenst is worden de sproeidoppen van type A vervangen door type B. Deze type B sproeidoppen zijn geschikt voor een debiet van 70l/s tot 110l/s om een optimaal sproei effect te bekomen. Een bijkomende reserve tot 90m³/h wordt als minimum genomen om vervuiling van de condensor te compenseren. Een debiet van 90m³/h en een minimum ventilatorwerking van 30%, zorgt voor een koelvermogen van 486kW bij de condities Tin 32°C, Tuit 27°C, Tnb 22°C. Bij het starten van de compressoren stijgt de condensatietemperatuur boven de setwaarde. Hierop reageert de koeltorenregeling op volgende manier. Masterproef

56


Mabesoone Sam

Eerst wordt een eerste pomp bv P40A ingeschakeld op zijn minimum van 25Hz. Daarna wordt een tweede pomp ingeschakeld bv pomp P40B op de minimum frequentie. Het pompdebiet wordt geregeld aan de hand van toerentalregeling i.f.v. van het temperatuursverschil van de condensor tussen in- en uitgang van het koelwater, aangeduid met omcirkeling (W20A en W20B). Bij stijgende compressorcapaciteit zal de temperatuur in de condensor oplopen waardoor het temperatuursverschil tussen ingaand- en uitgaand water zal stijgen. De pompregeling reageert hierop door een toenemend debiet te verpompen. Omgekeerd zal bij een kleiner wordend temperatuursverschil het debiet verminderd worden. De pompregeling gebeurt i.f.v. van het temperatuursverschil met een minimum van 25l/s per pomp. Bij onvoldoende koelvermogen wordt de ventilator van koeltoren W60A en van koeltoren W60B ingeschakeld. In functie van het temperatuursverschil tussen de natte bol temperatuur en de temperatuur van het vertrekkende water worden de ventilatoren open afgetoerd. Wanneer dit koelvermogen groter gewenst is worden beide ventilatoren tezamen opgetoerd. Is het koelvermogen groter dan gewenst dan worden beide ventilatoren tezamen afgetoerd. Bij het bereiken van het minimum toerental worden de ventilatoren gestuurd volgens een aan-uit sturing.

13.2 Pompregeling De pompen worden toerental geregeld op basis van het temperatuursverschil tussen het ingaand en het uitgaand water van de condensor. Om de meest optimale dT te bepalen werd de COP i.f.v. van de dT onderzocht. De COP werd berekend door middel van vergelijking 13.1.

COP =

Qo [kW] (Pe pomp + Pe compressor) [kW]

(13.1)

Hierbij is het elektrisch opgenomen vermogen van de pomp te bepalen vertrekkend van gegevens opgegeven door de fabrikant. Het elektrisch opgenomen vermogen van de pomp is afhankelijk van het te verpompen debiet en de opvoerhoogte. Deze opvoerhoogte bevat de statische opvoerhoogte en de dynamische. Hierbij is de statische 3m en gelijk aan de hoogte waarbij het water naar beneden valt binnenin de koeltoren. De dynamische opvoerhoogte is afhankelijk van het debiet. Als referentie werd een gemeten waarde genomen: Tabel 13.1: Gemeten referentie voor de pompen

q[m³/h] 210

Masterproef

statische [m] 3

hoogte dynamische [m] 18

hoogte Pel pomp [kW] 16,8

57


Mabesoone Sam

De affiniteitwetten geven de wiskundige relaties weer tussen debiet, toerental, opvoerhoogte en het elektrisch opgenomen vermogen voor centrifugaalpompen alsook centrifugaal ventilatoren. De wetten laten zien dat zelfs een kleine vermindering van het debiet aanzienlijke reducties in energieverbruik tot gevolg hebben. Deze wetten zijn de basis voor energiebesparingen.

Q1 Q2

H1 H2

P1 P2

n1 n2

(13.2) 2

n1 n2

n1 n2

(13.3) 3

(13.4)

Met Q: het debiet of volumestroomsnelheid [m³/h] n: het toerental van de pomp [tr/min] H: de opvoerhoogte [m] P: het elektrisch opgenomen vermogen [kW] De formules laten zien dat als het toerental van de pomp met 50 % gereduceerd wordt, het debiet ook met 50 % gereduceerd wordt. De opvoerhoogte wordt tot 25 % gereduceerd, en het vermogen wordt tot 12,5 % gereduceerd. [1]

Figuur 13.2: Voorstelling van de Affiniteitwetten

[1]: http://cbs.grundfos.com/GNL_Netherlands/lexica/SG_Laws_of_affinity.html (datum van opzoeking: 20/03/2010) Masterproef

58


Mabesoone Sam

Het elektrisch opgenomen vermogen van de compressor werd berekend op basis van figuur 11.2. Opnieuw werd ter vereenvoudiging als totaal af te voeren vermogen, de koellast tezamen met het elektrisch opgenomen compressorvermogen genomen. Met de soortelijke warmte van 4,17kJ/kgK werd het benodigde debiet, rekening houdend met het temperatuurverschil, bepaald. Het debiet en de totale opvoerhoogte bepalen het elektrisch opgenomen pompvermogen. Pe pomp ifv dT 25,5

38,0 36,0 y = 122,75x-2,655

20,5

y = 0,8929x + 28,257 34,0 32,0 y = 0,9338x + 27,645

15,5

30,0 28,0 10,5 26,0 y = 17,456x-1,758

5,5

24,0 22,0

0,5

20,0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

7,5

dT [°C]

Pe pomp ifv dT met Q=500kW

Pe pomp ifv dT met Q=250kW

Tc ifv dT met Q=500kW

Tc ifv dT met Q=250kW

Figuur 13.3: Elektrisch pompvermogen en gemiddelde condensatietemperatuur

Uit figuur 13.2 kan de invloed van het temperatuursverschil, voorgesteld met dT, op de condensatietemperatuur en het opgenomen pompvermogen afgeleid worden. Deze invloed werd onderzocht specifiek voor de voorkomende koellasten, 1000kW en 500kW. Aangezien er twee koeltorens aanwezig zijn werd deze belasting gehalveerd. Het is zo dat bij een grotere dT de condensatietemperatuur stijgt. Hierdoor vergroot het opgenomen elektrisch compressor vermogen, dit is te verklaren door de grotere tegendruk die de compressor ondervindt bij een hogere condensatietemperatuur. Ook daalt het elektrisch opgenomen pompvermogen bij een grotere dT, dit komt doordat de warmte inhoud per kilogram koelwater toeneemt. Dezelfde warmte kan afgevoerd worden met een kleiner debiet.

Masterproef

59


Mabesoone Sam

Met behulp van de software WinCaps van de fabrikant Grundfoss werden enkele voorspelde resultaten ter controle ingegeven.

Figuur 13.4: Pompkarakteristiek GRUNDFOSS NBE 125 250/262

Voor de koellast 500kW en 1000kW werd het verloop van de COP i.f.v. het temperatuursverschil grafisch voorgesteld.

COP

COP ifv dTw bij Qo=1000kW

5,3 5,2 5,1 5,0 4,9 4,8 4,7 4,6 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2 5,4 5,6 5,8 6 dT [°C] Figuur 13.5: COP i.f.v. dT met een koellast van 1000kW

Masterproef

60


Mabesoone Sam

COP ifv dTw bij Qo=500kW

COP 6

5,5

5

4,5

4

3,5

3 0,5

0,9

1,3

1,7

2,1

2,5

2,9

3,3

3,7

4,1

4,5

4,9

5,3

5,7

6,1

6,5

dT [°C] Figuur 13.6: COP i.f.v. dT bij een koellast van 500kW

13.3 Conclusie De meest optimale dT is bij een dT van 4°C met een hysteresisband van 3 tot 5°C. Het setpunt van 4°C is geldig voor beide koellasten en veralgemeent de regeling. Hierbij is het af te voeren vermogen gelijk aan de koellast en het elektrische vermogen van de compressor. Daarbij wordt de warmte afkomstig van de pomp afgegeven aan het water door de wrijving verwaarloosd.

Masterproef

61


Mabesoone Sam

13.4 Ventilatorregeling In iedere koeltoren wordt de warmte, opgenomen door het koelwater uit de condensor, weer afgestaan aan de buitenlucht. Het koelwater wordt boven in de koeltoren uitgesproeid over een vulpakket dat moet zorgen voor een groot contactoppervlak met de buitenlucht die door de koeltoren stroomt. Hierbij wordt water verdampt, waardoor een lagere temperatuur bereikbaar is dan de temperatuur van de buitenlucht. Door het verdampen van het water daalt de temperatuur van het water en de lucht en stijgt de vochtigheidsgraad van de lucht. Theoretisch kan het koelwater gekoeld worden tot de zogenaamde natte boltemperatuur van de buitenlucht. Die temperatuur is afhankelijk van de temperatuur en vochtigheidsgraad van de lucht. u/jaar [%] temperatuur ≤ 100,0% 90,0% 80,0% 70,0%

U/jaar [%]

60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 0,0% -16

-6

4

14

24

34

temperatuur [°C] droge bol temperatuur

natte bol temperatuur

Figuur 13.7: Het aantal u/jaar [%] Tnb en Tdb

Masterproef

62


Mabesoone Sam

Op basis van Ashrae data voor Ukkel werd figuur 13.7 gemaakt. Hierop is te zien dat bijvoorbeeld van 74% per jaar de temperatuur lager is dan 14°C. De nattebol temperatuur is 84% per jaar lager dan 14°C. Het is zo dat bij hogere buitentemperaturen het verschil tussen de droge- en nattebol temperatuur groter wordt. Dit biedt de mogelijkheid om m.b.v. een koeltoren meer te koelen t.o.v. een lucht gekoelde condensor tijdens de zomermaanden. Om nu tot een ventilatorregeling te komen werd de snelheid van de ventilatoren geregeld op basis van de natte bol temperatuur. Tegengesteld tot de theorie is het door beperkingen van het vulpakket niet mogelijk om het koelwater te koelen gelijk aan de nattebol temperatuur. Hierbij zal er een temperatuurverschil, approache genaamd, zijn tussen het gekoelde water en de nattebol temperatuur. Door het koelwater meer te koelen zal de condensatietemperatuur lager zijn. Hierbij wordt het opgenomen compressorvermogen kleiner maar zal een hoger ventilatorvermogen nodig zijn. Ook zal een lager compressor vermogen voor een kleinere warmte afvoer zorgen enzovoort. Hoe diep moet het koelwater nu gekoeld worden, m.a.w. wat is het meest optimale temperatuurverschil tussen het gekoelde water en de nattebol temperatuur ? Dit werd bepaald m.b.v. een Excel werkblad omdat deze berekeningen iteratief zijn. Hierbij werd gezocht naar de meest optimale condensatietemperatuur om een zo laag mogelijk elektrisch verbruik te hebben voor eenzelfde koellast. Tussen de condensatietemperatuur en de natteboltemperatuur zijn er een aantal temperatuursverschillen.

Figuur 13.8: Van nattebol tot condensatietemperatuur

Masterproef

63


Mabesoone Sam

Figuur 13.8 geeft de verschillende temperatuursverschillen weer. Een reeds gekend temperatuursverschil is deze over de condensor, range genaamd. Uit figuur 13.5 en figuur 13.6 is af te leiden dat de range het meest optimaal is bij 4°C. Een tweede temperatuursverschil is deze tussen het uitgaande warm water van de condensor en de condensatietemperatuur. Door simulaties uit voeren m.b.v. het selectieprogramma van Alfa Laval, de fabrikant van de condensor, werd dit temperatuursverschil bepaald. In functie van de condensatietemperatuur en de koellast werd telkens dT (Tc-Tw uit) bepaald. De simulaties werden gedaan voor de condensatietemperatuur van 24°C tot 34°C.

Figuur 13.9: Temperatuursverschil van de condensor

dt(Tc-Tw uit) ifv de koellast 2,5

dt [°C]

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900 1000 1100 1200 1300 1400

koellast [kW] Figuur 13.10: Temperatuursverschil i.f.v. de koellast

Uit figuur 13.10 is af te leiden dat de dT varieert volgens de koellast. Volgens de belasting bij Alpro is er nood aan een koellast van 500kW en 1000kW. Iedere condensor voert de helft af met de bijkomende compressorwarmte. Bij een koellast van 500kW is dit 300kW en bij 1000kW koellast is dit 600kW die moet afgevoerd worden per condensor. Dit komt overeen

Masterproef

64


Mabesoone Sam

met een dT van 0,2 en 0,7°C. Ter vereenvoudiging van het regelalgoritme wordt 0,5°C genomen als temperatuursverschil. Als laatste werd de meest ideale approache bepaald aan de hand van een Excel werkblad. Belangrijk is het elektrisch opgenomen vermogen minimaal te houden voor eenzelfde koellast. Het elektrisch opgenomen vermogen bestaat uit het vermogen opgenomen door de compressoren, de ventilatoren en de pompen. De berekeningen werden gedaan voor een koellast van 500kW en 1000kW om een optimale approache te bepalen.

Figuur 13.11: Koeltorenregeling bij 500kW deel 1

Pe compressor ifv Tc 300 280 y = 0,0935x2 - 0,4852x + 106,1

260 240

Pe [kW]

220 200 180 160 140

y = 0,0467x2 - 0,2426x + 53,049

120 100 80 60 22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

Tc [°C] Qo=500kW

Qo=1000kW

Figuur 13.12: Het compressor vermogen i.f.v. condensatietemperatuur

Het elektrisch opgenomencompressor vermogen werd m.b.v. de Mycom software gesimuleerd i.f.v. de condensatietemperatuur. Op basis hiervan werd een functievoorschirft bepaald die werd gebruikt in het Excel rekenblad.

Masterproef

65


Mabesoone Sam

Op basis van de koellast en de natteboltemperatuur werd het rekenblad aangevuld. Hierbij is een minimum condensatietemperatuur van 24°C omdat de minimum drukval over de compressor 5 bar bedraagt. Bij een natteboltemperatuur lager dan 15°C wordt Tc op 24°C geregeld door het ventilatordebiet te verlagen. Bij een hogere natteboltemperatuur wordt de condensatietemperatuur bekomen door Tnb te sommeren met de approache. Op basis van gegevens van Baltimore Air Coil, die de fabrikant is van de koeltorens, werd het ventilatordebiet bepaald i.f.v. de approache. luchtdebiet ifv approache luchtdebiet [%]

65

y = 244,79x-0,896

55

y = 452,77x-0,812

45 35 25 15 5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 approache [°C]

luchtdebiet ifv approache 600kW

luchtdebiet ifv approache 1200kW

Figuur 13.13: Ventilator debiet i.f.v. de approache

Hierbij is in functie van het af te voeren vermogen en de approache het opgenomen ventilatordebiet en het ventilatorvermogen bepaald. Het ventilator debiet, voorgesteld met q, werd berekend door middel van vergelijking 13.5 waarbij Qc het af te voeren vermogen per koeltoren bedraagt.

q %

Qc 1200

244, 79 approache

0,896

(13.5)

Het elektrisch opgenomen ventilatorvermogen, Pelek werd berekend volgens vergelijking 13.6 waarbij 32,3 het opgenomen vermogen is bij 100% nominaal toerental.

Pelek

32,3 100 q[%]

3

(13.6)

Het minimum ventilatordebiet is 30%. Een kleiner debiet wordt bekomen door een aan-uit regeling. Hierbij werd het opgenomen ventilatorvermogen berekend door middel van vergelijking 13.7 . Het opgenomen ventilatorvermogen is 0,9kW bij 30% luchtdebiet.

Pelek

q[%] 0,9 30

Masterproef

(13.7)

66


Mabesoone Sam

Figuur 13.14: Koeltorenregeling bij 1000kW deel 2

Het opgenomen pompvermogen werd bepaald met vergelijking 13.8 . Qc bedraagt het af te voeren vermogen voor één koeltoren.

q[l / s]

Qc 4,186 range

(13.8)

Het minimum waterdebiet bedraagt 90m³/h. Dit minimum debiet is nodig om minealisering op het verdeelpakket te voorkomen. Het elektrisch opgenomen pompvermogen bij dit minimum debiet bedraagt 2,75kW. Aan de hand hiervan werd het Excel werkblad opgesteld voor een koellast van 500kW. Een tweede werkblad werd opgesteld voor een koellast gelijk aan 1000kW. Dit werkblad is gelijkaardig berekend alleen is het af te voeren vermogen groter waardoor het nodig pomp debiet boven de minimumgrens komt. Met behulp van Wincaps, de selectiesoftware van Grundfoss werd het vermogen bepaald per debiet en aangeduid in tabel 13.2. Op basis van de gemeten referentie en het debiet werd volgens de affiniteitwetten de dynamische opvoerhoogte herrekend. Tabel 13.2: Elektrisch opgenomen pompvermogen i.f.v. het debiet

Eens de vermogens per debiet gekend zijn werden deze uitgezet in een grafiek waarvan het functievoorschrift bepaald werd. Aan de hand van deze functie werd het pompvermogen berekend in het werkblad voor zowel een koellast van 500kW als voor 1000kW.

Masterproef

67


Mabesoone Sam

Elektrisch opgenomen pompvermogen i.f.v. het debiet 6

Pelek pomp [kW]

5 4

y = 0,0004x2 - 0,017x + 1,3272

3 2 1 0 50

60

70

80

90

100

110

120

130

debiet [m³/h] Figuur 13.15: Het elektrisch opgenomen pompvermogen i.f.v. het debiet

Om de meeste optimale approache te bepalen werd deze gewijzigd zodanig dat een minimum aan totaal elektrisch opgenomen vermogen nodig was. Uit figuur 13.15 is af te leiden dat de meest optimale approache 2°C en 2,5°C was. Aangezien de koellast van 500kW voor 90% van de uren per jaar voorkomt werd als optimale approache 2°C genomen.

Masterproef

68


Mabesoone Sam

Figuur 13.16: Werkbladen optimale approache

Masterproef

69


Mabesoone Sam

14 Energie besparing op basis van de nieuwe voorgestelde regeling De voorgestelde regeling omvat enerzijds de compressorregeling en anderzijds de koeltorenregeling. Het voorstel tot een gunstigere compressorregeling bestaat uit de regeling van één compressor of een cascaderegeling van twee compressoren met gelijke instellingen. De regeling zorgt ervoor dat de regelschuif zoveel als mogelijk dicht blijft. De voorgestelde koeltorenregeling omvat het variabel koelwaterdebiet per condensor, door de pompen te regelenen op een dT van 4°C. De wenswaarde van de meest optimale condensatietemperatuur wordt berekent door de natteboltemperatuur met 2°C te verhogen. De condensatietemperatuur heeft een minimum van 24°C. Wat is nu de invloed van de voorgestelde regelstrategie voor de compressoren en de koeltorens? De aanpassing van de regeling gebeurde eind april 2010. Op basis van de data logging gegevens werd een vergelijking gemaakt. Omdat de productie en dus ook de koellast in het bedrijf Alpro varieert per werkdag werd een periode van twee weken als te vergelijken tijdsduur genomen. In deze tijdsspanne komen de koellasten van de verschillende productieprocessen telkens terug. Aangezien ook de natteboltemperatuur een invloed heeft op de COP werd geen grotere tijdspanne vergeleken om een te grote variatie ervan te vermijden. Tabel 14.1: Besparing door de regelingsaanpassing

Uit tabel 14.1 is af te leiden dat de aanpassing van de regeling zorgt voor een verbetering van de COP. Deze stijgt van 3,6 naar 4,8. Hierbij is op te merken dat de koellast en de nattebol temperatuur groter is geworden. Deze COP stijging is gedeeltelijk een gevolg van een beperkte aanpassing van de compressorregeling maar ook door het pompdebiet variabel te maken. Voordien werden telkens twee pompen van elk 22kW ingeschakeld terwijl na de aanpassing de pompen gemiddeld 18kW opnemen. De regelingsaanpassing biedt de mogelijkheid om €14 575 per jaar te besparen. Hierbij werd gerekend met 50 werkweken per jaar. Een verdere verbetering wordt verwacht bij het ontluchten van de condensors. Door de niet condenseerbare lucht in de condensors stijgt de condensordruk en dus ook de condensatietemperatuur. Zoals eerder aangetoond zorgt een verhoging van 1°C van de condensatietemperatuur voor een stijging van 3% van het opgenomen elektrisch compressorvermogen.

Masterproef

70


Mabesoone Sam

15 Andere besparingsmogelijkheden 15.1 Luchtgekoelde condensor in vergelijking met een koeltoren Op basis van huidige belasting en de vooropgestelde regeling wordt een vergelijking gemaakt tussen de huidige geïnstalleerde koeltorens en condensors met een evenredig koelvermogen. De geplaatste koeltorens hebben elk een af te voeren capaciteit van 1354kW bij een natteboltemperatuur van 22°C, ingaande watertemperatuur van 32°C en uitgaand van 27°C. De totale capaciteit van de koeltorens is gelijk aan 2708kW af te voeren vermogen. Er werd een vergelijking gemaakt met drie luchtgekoelde condensor van elk 900kW. Tezamen kunnen de condensors 2700kW afvoeren bij een luchtintrede temperatuur van 32°C en een condensatietemperatuur van 45°C, m.a.w. bij een temperatuursverschil van 13°C. Om het rekenwerk overzichtelijker te houden werd gebruik gemaakt van een excel werkblad. De berekeningen worden uitgevoerd voor de koellast die voorkomt binnen Alpro voorgesteld door tabel 15.1 Tabel 15.1: Voorstelling van de koellast

Voor de koeltorens werden gelijke werkbladen gebruikt als bij het berekenen van de meest gunstige approache, voorgesteld door figuur 13.5. Een eerste berekening voor de condensors was het berekenen van het optimaal temperatuursverschil i.f.v. het ventilatordebiet om de nodig warmte af te voeren. Het af te voeren vermogen wordt door de lucht opgenomen. Hierbij is de werking van de condensor voor te stellen door middel van vergelijking 15.1

Qc

k A dT

(15.1)

Met Qc het af te voeren vermogen uitgedrukt in kW k de overdrachtscoëfficiënt uitgedrukt in kW/m²K A de oppervlakte uitgedrukt in m² dT het temperatuursverschil uitgedrukt in K Om het berekenen te vereenvoudigen worden de drie aparte condensors gezien als één condensor. De factor k en A kan als één constante gezien worden en werd berekend aan de hand van vergelijking 15.2 en 15.3 Cte

2700 13

k.A

Qc dT

207, 7

Masterproef

(15.2)

(15.3)

71


Mabesoone Sam

De minimale condensatietemperatuur voor de compressoren bedraagt 24°C. Voor de koellast van 500kW is het af te voeren vermogen gelijk aan Qc. Deze hoeveelheid warmte kan worden afgevoerd door de condensors met een kleinere dT. Hoe groot deze dT juist is wordt berekend volgens vergelijking 15.4

dT Tomg

Qc Cte

574, 2 207,7

Tc dT

2,8

24 2,8 21, 2

(15.4) (15.5)

Dit betekent dat bij een vol ventilator debiet een condensatietemperatuur bekomen wordt van 21,1°C omgevingstemperatuur.

Figuur 15.1: Optimale dT voor condensor bij 500kW koellast

Door middel van de ventilatorsnelheid te reduceren wordt het luchtdebiet verminderd. Dit betekent dat een groter temperatuursverschil wordt opgebouwd en een hogere condensatietemperatuur bereikt wordt. Een stijging van 1°C van de condensatietemperatuur zorgt voor een stijging van 3% van het elektrisch opgenomen compressorvermogen. Door nu het temperatuursverschil te vergroten werd de meest optimale dT bepaald. Deze berekening werd herhaald voor een koellast van 1000kW. Uit Figuur 15.1 is af te leiden dat de meest gunstige dT is bij 7,3°C

Masterproef

72


Mabesoone Sam

Figuur 15.2: Optimale dT voor condensor bij koellast van 1000kW

Uit figuur 15.2 is af te leiden dat de meest gunstige dT is bij 10,3°C voor een koellast van 1000kW. Zoals bij de koeltorens iedere nattebol temperatuur werd uitgezet volgens het aantal uren per jaar deze voorkomt, werd voor de condensors de drogebol temperatuur uitgezet. Op basis van de omgevingstemperatuur werd de condensatietemperatuur berekend volgens vergelijking 15.6. Tc

Tomg

(15.6)

dT 13

q vent [%]

2700

dT

Qc

100

(15.7)

Met vergelijking 15.7 werd het ventilator debiet bepaald. Het debiet is evenredig met het af te voeren vermogen en het temperatuursverschil.

Figuur 15.3: Condensorberekening bij koellast van 500kW

Masterproef

73


Mabesoone Sam

Iedere condensor beschikt over 10 ventilatoren van elk 3,6kW. Tezamen is dit 108kW. Het elektrisch opgenomen ventilatorvermogen werd berekend a.d.v. vergelijking 15.8

Pven

108 100 q[%]

(15.8)

3

Het totaal opgenomen vermogen werd berekend op basis van de uren per jaar dat de omgevingstemperatuur voorkomt en welk percentage van die uren die koellast aanwezig is. De berekeningen voor een koellast gelijk aan 1000kW werden gelijkaardig uitgevoerd. Hierbij veranderde de koellast en de dT. Voor zowel de koeltorens als de condensors werd het af te voeren vermogen en het elektrisch opgenomen vermogen opgeteld. Ook werd het verbruikte koelwater door de koeltorens in de vergelijking opgenomen. Tabel 15.2: Vergelijking koeltorens met condensors

Uit tabel 15.2 is af te leiden dat het verbruikte koelwater gelijk is aan 11 449m³. Dit werd berekend doormiddel van vergelijking 15.9. Er werd rekening gehouden met de tijdsduur en de grootte van de koellast om het totaal af te voeren warmte per jaar te berekenen voorgesteld met Qc.

q[m³ / jaar]

Qc 3600 2600

1,5 1000

(15.9)

15.1.1 Conclusie Uit tabel 15.2 is af te leiden dat het totaal af te voeren vermogen voorgesteld met Q c bij de koeltorens kleiner is. Dit is te verklaren doordat de koeltorens dieper kunnen koelen omdat de nattebol temperatuur lager is dan de drogebol temperatuur. Hierdoor is het opgenomen compressorvermogen kleiner. Het totaal opgenomen elektrisch vermogen is bij de koeltorens groter omwille van het opgenomen pompvermogen. Door de meerkost van het opgenomen pompvermogen en het verbruikte koelwater zijn de koeltorens jaarlijks €15 623 duurder.

Masterproef

74


Mabesoone Sam

15.2 Meerdere kleinere compressoren De huidige koellast wordt verwerkt door telkens twee van de drie Mycom compressoren. Deze compressoren hebben een koelvermogen van 1023kW bij Tc 25°C en To -1°C. Hierbij werd verder onderzocht hoe de COP van de compressoren zich gedraagt indien de koellast door drie Bitzer compressoren wordt verwerkt. Op basis van gegevens verkregen door Bitzer werd figuur 15.5 15.3 Schroefcompressie door Bitzer Bitzer beschikt over schroefcompressoren ontwikkeld voor de chillermarkt. Chillers worden gebruikt om water te koelen in bv appartementsgebouwen. Dit betekent dat deze chiller-units vaak matig toegankelijk zijn. Bitzer ontwikkelde hiervoor schroefcompressoren die niet draaiuur afhankelijk onderhoud vergen en relatief klein van omvang zijn. Een afgeleid model van de chiller compressoren is de OSKA85 NH3 open schroefcompressor. Het model kan in twee uitvoeringen gekozen worden die vergelijkbaar zijn met twee Viinstellingen.

Figuur 15.4: Voorstelling van Vi-instelling bij Bitzer

Het aansturen van de capaciteitsschuif gebeurt bij Bitzer door middel van de drukval die aanwezig is van pers-en zuigdruk. 15.4 Vergelijking twee grotere compressoren t.o.v. drie kleinere compressoren Er werd een vergelijking gemaakt bij de twee voorkomende koellasten van 500kW en 1000kW.

Masterproef

75


Mabesoone Sam

Figuur 15.5: Bitzer schroefcompressor bij koellast van 500kW

Figuur 15.6: Bitzer schroefcompressor bij koellast van 1000kW

Om nu de vergelijking te maken werd met behulp van het selectie programma van Mycom de COP bepaald bij dezelfde condities voorgesteld op figuur 15.7

Figuur 15.7: vergelijkende condities

Figuur 15.8: COP bepaling m.b.v. Mycom selectiesoftware

Masterproef

76


Mabesoone Sam

Tabel 15.3: Vergelijking van twee grotere en drie kleinere compressoren

15.4.1 Conclusie Hierbij is vast te stellen dat een cascadeschakeling van drie relatief kleinere Bitzers t.o.v. twee Mycom compressoren leidt tot een jaarlijkse besparing van €2 418.

Masterproef

77


Mabesoone Sam

16 Besluit Na het beëindigen van deze masterproef zijn de voornaamste doelstellingen behaald. Er werd een verhelderend, samenvattend doch voldoende volledig document opgesteld. Zo is er in de eerste instantie een samenvatting opgesteld over de werking van de dubbele schroefcompressor. Ook de verschillede koeltoren principes en de werking ervan werd hierbij beschreven. De scriptie kan als ondersteunde handleiding gebruikt worden om de werking van een schroefcompressor en koeltoren beter te begrijpen. In de tweede instantie werd een regelstrategie opgesteld met als doel de meest optimale te zijn voor Alpro. Er werd zowel een compressorregeling als koeltorenregeling uitgewerkt. Beide voorstellen werden geïmplementeerd in de regeling. Eerste resultaten toonden aan dat de regelingsoptimalisatie zal leiden tot een besparing van €1214 per maand. Het grootste voordeel werd bekomen door het koelwaterdebiet variabel te maken. Verdere energieefficiënte wordt verwacht bij het ontluchten van de condensors. Verder werd er een studie gemaakt over andere energie besparende maatregelen. Hierbij werd een vergelijking gemaakt naar de kostprijs bij luchtgekoelde condensors t.o.v. de bestaande open koeltorens. Bij het gebruik van luchtgekoelde condensors zou dit leiden tot een besparing van €1301 per maand. Een vergelijking tussen de bestaande twee relatief grote geïnstalleerde compressoren en drie relatief kleinere schroefcompressoren leidde tot een mogelijke besparing van €201 per maand. Verder onderzoek met bijhorende kosten-batenanalyse omtrent vervanging van componenten als bijvoorbeeld hoogrendementsmotoren (EFF1) kan in de toekomst tot verdere stijging van de energie-efficiënte leiden.

Masterproef

78


Mabesoone Sam

17 Literatuurlijst U. o. W.-M. Industrial Refrigeration Consortium, "Screw Compressors:Selection Conciderations for Efficient Operation," in IRC Technote, D. "Douglas T. Reindl and R. S. "Todd B. Jekel, Eds., ed: IRC, 2002. MYCOM SCV-series, "Screw Refrigeration Compressor Handling manual", Mayekawa MFG.CO.,LTD. Keesing noordervliet b.v.,"Leergang Ontwerpen van koelinstallaties",Prof.ir.A.L.Stolk, Ir.W.G.Alexander, Ir.L.M.Hamker, Dr.ir.S.Touber, Prof.dr.ing.L.Vàhl Bitzer,"Capacity control of screw compressors: speed or slider control - a comparative study",Dipl.ing.(FH) Rolf Blumhardt Opleidingscursus: KATHO Departement VHTI, "Koeltechniek deel 1 tot deel 5", door Roger Pype Opleidingscursus: KATHO Departement VHTI, "Klimatisering", door Roger Pype University of Winsconsin-Madison, "Selection of screw compressors for energy efficient operation", in Industrial Refrigeration Consortium, T. Douglas Reindl, T. B. Jekel Gert Dierks, Dipl. Ing. FH, Jaeggi/Guentner (Schweiz) AG, Trimbach, Switzerland Stephen Fairgrieve, Jaeggi/Guentner (Schweiz) Ltd, England. "A hybrid dry cooler employed as a refrigerant condenser", http://www.jaeggi.us/aktuell3/hdc/Condenser.pdf 14/02/2010 RCC koude & luchtbehandeling, "gesloten hybride mediumkoeler spaart veel energie", door H.T. Huizinga Baltimora Air Coil http://www.baltimoreaircoil.be 20/02/2010

Masterproef

IX


Mabesoone Sam

18 Bijlagen 

Bijlage 1: Schema van de koelinstallatie bij Alpro



Bijlage 2: Güntner luchtgekoelde condensor



Bijlage 3: COP verloop bij cascaderegeling van drie Bitzer OSKA8591-K



Bijlage 4: Excel rekenblad koeltorenregeling koellast 500kW



Bijlage 5: Excel rekenblad koeltorenregeling koellast 1 000kW



Bijlage 6: Excel rekenblad condensorregeling koellast 500kW



Bijlage 7: Excel rekenblad condensorregeling koellast 1 000kW

Masterproef

X


Mabesoone Sam

Bijlage 1: Schema van de koelinstallatie bij Alpro

Masterproef

XI


Mabesoone Sam

Bijlage 2: Güntner luchtgekoelde condensor

Masterproef

XII


Mabesoone Sam

Bijlage 3: COP verloop bij cascaderegeling van drie Bitzer OSKA8591-K

Masterproef

XIII


Mabesoone Sam

Bijlage 4: Excel rekenblad koeltorenregeling koellast 500kW

Masterproef

XIV


Mabesoone Sam

Bijlage 5: Excel rekenblad koeltorenregeling koellast 1 000kW

Masterproef

XV


Mabesoone Sam

Bijlage 6: Excel rekenblad condensorregeling koellast 500kW

Masterproef

XVI


Mabesoone Sam

Bijlage 7: Excel rekenblad condensorregeling koellast 1 000kW

Masterproef

XVII

Masterproef Optimalisatie regeling van een bestaande koelinstallatie naar energie-efficiëntie toe

Recommend Documents