R-744 versus R-290 in kleine vriezer-toepassingen

VERGELIJKENDE TEST

RCCTotalEnergy RCC Total Energy – Schoon & zuinig koelen en verwarmen

Door M. van Beek en M. Janssen Re/genT BV

R-744 compared to R-290 in small freezer applications

R-744 versus R-290 in kleine vriezer-toepassingen

In Europa worden steeds vaker koolwaterstoffen gebruikt als alternatief voor HCFK’s in kleine vriezer-toepassingen. In andere delen van de wereld bestaat echter nog steeds enige argwaan ten opzichte van dergelijke brandbare koudemiddelen, en wordt R-744 (CO2) gezien als mogelijk alternatief. Het gespecialiseerde researchbedrijf Re/genT heeft een experimentele en analytische vergelijking uitgevoerd tussen R-744 en R-290 (propaan) als koudemiddel in kleine vriezer-toepassingen. De resultaten van deze studie zijn eerder gepresenteerd op de achtste IIR Gustaf Lorentzen Conference on Natural Working Fluids te Kopenhagen, 2008.

V

oor de studie werd een vrieskist voor de verkoop van ijs geconverteerd naar R-744, zodat de prestaties van deze vrieskist konden worden vergeleken met die van de originele R-290 configuratie (zie afbeelding 1). Normaliter is de vrieskist uitgevoerd met een standaard hermetische R-290 compressor met een slagvolume van 8,1 cm3 (ACC NL80FB). Op basis van capaciteitsschattingen en verkrijgbaarheid is een semi-hermetische R-744 compressor met een slagvolume van 1,54 cm3 (Danfoss TN1410) geselecteerd voor de conversie. Het doel van de studie is om het potentieel, zowel energetisch als kostprijstechnisch, van R-744 in verhouding tot R-290 voor kleine vriezer-toepassingen in kaart te brengen. De energetische vergelijking is voornamelijk gebaseerd op energiegebruiktesten uitgevoerd op klimaatklasse 4 (omgevingstemperatuur van +30°C en een relatieve vochtigheid van 55%).

Hiernaast is ook de temperatuurprestatie van beide configuraties vergeleken op klimaatklasse 7 (omgevingstemperatuur van +35°C en een relatieve vochtigheid van 75%). De testen op het kabinet zijn uitgevoerd volgens ISO 23953-2.

Conversie Het koelsysteem van de originele R-290 configuratie bestaat uit een kleine voorkoeler (1,9 meter koperen pijp met een buitendiameter van 6 mm), een skin condensor, een standaard filter-droger, een skin verdamper en een capillair als expansieorgaan. Het capillair is op de zuigleiding gesoldeerd ter bevordering van het systeemrendement. Om de hogere werkdruk van een R-744 systeem te kunnen weerstaan, zijn in de R-744 configuratie de originele filter-droger en voorkoeler vervangen door hoogdrukresistente exemplaren. Om een eerlijke vergelijking zowel technisch als kostprijstechnisch te behouden, zijn

13

Afbeelding 1: vrieskist

VERGELIJKENDE TEST


Afbeelding 2: systeemconfiguraties de ingeschuimde delen (verdamper en condensor) niet aangepast, zodat de isolatiewaarde voor beide configuraties gelijk blijft. Naast aanpassingen aan de filter-droger en de voorkoeler is de R-744 configuratie ook uitgerust met een nakoeler en een accumulator. De accumulator was alleen noodzakelijk voor het uitvoeren van de vultesten. De nakoeler is geïnstalleerd om de temperatuur van het gas uit de gaskoeler verder te verlagen, waardoor het rendement van het systeem toeneemt. Omdat de drukken en de media sterk verschillen, werd het capillair van het originele systeem verlengd (na aanpassing volumestroom van 2,95 dm3/min N2 met 10 bar drukverschil). Na de aanpassing zijn er vultesten uitgevoerd, waaruit bleek dat het systeem optimaal gevuld is met 433 gram

R-744. Deze vulling resulteerde in een verdampingstemperatuur die overeenkomt met de verdampingstemperatuur van de originele configuratie, en in een persdruk die dicht bij de optimale druk ligt (persdruk behorende bij maximaal systeemrendement op klimaatklasse 4). In afbeelding 2 ziet u de systeemconfiguraties van zowel de originele R-290 als de geconverteerde R-744 vrieskist.

Testresultaten Energiegebruik- en temperatuurprestatietesten zijn volgens ISO 23953-2 uitgevoerd op beide configuraties op respectievelijk klimaatklasse 4 en klimaatklasse 7. De belangrijkste resultaten van deze testen zijn te vinden in tabel 1 en tabel 2. Voor het meten van het energiegebruik

is gebruikgemaakt van een Yokogawa WT130 poweranalyser. De temperaturen van de pakketten zijn gemeten met type T thermokoppels met behulp van een Fluke Helios I 2289A data acquisitie module. Gedurende de testen waren de systemen voorzien van extra thermokoppels die de temperatuur van de voorkoeler, condensor, verdamper, zuigleiding en voor expansie registreerden. Verder was het R-744 systeem voorzien van twee druksensoren die respectievelijk de zuigdruk (Druck PDCR 961 range van 0 tot 20 bar) en de persdruk (Kulite IPT 1000 range van 0 tot 345 bar) registreerden. De testen tonen aan dat het energiegebruik van de R-744 configuratie 23% hoger ligt dan het energiegebruik van het originele R-290 systeem. De temperatuurprestatietest resulteerde in

Tabel 1: resultaten energiegebruiktesten op klimaatklasse 4

De gepresenteerde onzekerheid komt voort uit: ± 0,15K onzekerheid in thermokoppel temperatuurregistratie, ± 0,3K onzekerheid in reproduceerbaarheid (plaatsen van de pakketten) en ± 0,054 kWh/24h onzekerheid op gemeten waarde poweranalyser

14

VERGELIJKENDE TEST


Tabel 2: resultaten temperatuurprestatietesten

De gepresenteerde onzekerheid komt voort uit: ± 0,15K onzekerheid in thermokoppel temperatuurregistratie en ± 0,3K onzekerheid in reproduceerbaarheid (plaatsen van de pakketten) een verschil van 1,9K in de temperatuur van het warmste pakket. Hieruit en uit de lagere compressorlooptijd blijkt dat de koelcapaciteit van het R-744 systeem groter is dan de koelcapaciteit van het originele systeem. De testen tonen ook aan dat de locatie van het warmste pakket verandert van het bovenste centrale pakket in de R-290 configuratie naar een pakket op de bodem in de R-744 configuratie. Dit duidt erop dat de twee configuraties verschillen in thermische weerstand tussen de pakketten en het verdampende koudemiddel in de verdamper. De verdamper bestaat uit een pijp die tegen de binnenwand van de vrieskist gewikkeld zit. De afstand tussen de opeenvolgende pijpen is aan de bovenzijde van het kabinet vrij klein en neemt toe naar de bodem. Op de bodem van de kist zitten geen pijpen, waardoor de pakketten op de bodem voornamelijk gekoeld worden via natuurlijke convectie gecombineerd met geleiding door de wand naar de bovenliggende pijpen. Een schatting van de warmteweerstand aan de binnenzijde van de pijp, gebaseerd op de Gungor-Winterton correlaties (1987), resulteert in een 24% grotere

warmteweerstand voor de R-744 configuratie. Hieruit werd geconcludeerd dat het originele verdamperontwerp niet ideaal is voor R-744 en dat het systeem geoptimaliseerd kan worden door verandering van de pijpafstand en door verkleining van de binnendiameter van de verdamperpijp. Vanwege de verandering in de warmste zone tussen de R-744 configuratie en de originele configuratie zal de warmtebelasting niet gelijk zijn als de systemen vergeleken worden op basis van het warmste pakket. Aangezien een vergelijking op basis van gelijke belasting correcter is, is het energiegebruik ook vergeleken op basis van de gemiddelde pakkettemperatuur (zie tabel 3). Op basis van gelijke gemiddelde temperatuur van de pakketten is het energiegebruik (gemeten in kWh/24h) van de R-744 configuratie 13,2% (± 2,2%) groter dan het energiegebruik van het R-290 systeem. Gebaseerd op de ISO 23953-2 methodologie (warmste pakket) is het verschil 23,0% (± 2,8%).

weergegeven. De kringlopen zijn berekend met een Excel-model waarin de koudemiddelcondities worden berekend met REFPROP 6.01 (McLinden et al, 1998). Het model maakt gebruik van het isentropische en volumetrische rendement, als gedefinieerd in vgl.1 en vgl.2, voor het karakteriseren van de compressor en om de koelcapaciteit en het energiegebruik van het systeem af te schatten.

1.

2.

3.

4.

Kringlopen In afbeelding 4 zijn de ideale en de gemeten kringloop van beide systemen

Tabel 3: vergelijking energiegebruik

5.

De gepresenteerde onzekerheid komt voort uit: ±0,15 K onzekerheid op thermokoppel meting, ±0,3K onzekerheid ten gevolge van reproduceerbaarheid (plaatsing van de pakketten) en ±0,054 kWh/24h onzekerheid op gemeten waarde poweranalyser

16

VERGELIJKENDE TEST


Met m de massastroom in kg/s, hisen de enthalpietoename van het gas in J/kg bij isentropische compressie van de zuigdruk tot de persdruk, Pin het opgenomen vermogen van de compressor in W, suc de dichtheid van het zuiggas in kg/m3, Vswept het slagvolume van de compressor in m3, f de draaifrequentie van de compressor in Hz, Qcool de koelcapaciteit van het systeem, hsubcool de enthalpie in J/kg van het medium net voor expansie en hsuperheat de enthalpie van het koudemiddel net na de zuiggaswarmtewisselaar. De theoretische ideale kringloop is gebaseerd op ideale compressie, ideale warmte-uitwisseling tussen het capillair en het zuiggas, onderkoeling tot aan de omgevingstemperatuur (+30°C) en een verdampingstemperatuur identiek aan die van de originele configuratie (-32,5°C). Voor de R-290 kringloop is de condensatietemperatuur de gemeten condensatietemperatuur van +40°C en voor de R-744 kringloop was de persdruk geoptimaliseerd naar maximale COP op de gegeven condities. De gemeten kringlopen zijn gebaseerd op de gemeten systeemtemperaturen en drukken gedurende de energiegebruiktesten. De isentropische en volumetrische rendementen zijn gefit op het gemeten energiegebruik van de compressor en op de warmtebelasting van de vrieskist. De warmtebelasting van de vrieskist (135W +/- 10%) is bepaald met behulp van het model, aan de hand van compressorprestatiedata (ACC NL80FB) op condities overeenkomend met het werkpunt van de originele configuratie. Uit afbeelding 3 en 4 wordt duidelijk dat het rendement van de ideale R-744

Afbeelding 3: afwijking gemeten t.o.v. ideale kringloop R-290

Afbeelding 4: afwijking gemeten t.o.v. ideale kringloop R-744

kringloop 31% lager is dan het rendement van de ideale R-290 kringloop. Ook is te zien dat dit verschil sterk gereduceerd is (tot 13,7%) in de geteste configuraties. Uit de analyse blijkt dat het verschil tussen de gemeten en ideale kringloop als verwacht wordt gedomineerd door het isentropische rendement van de compressor. Tevens volgt uit de analyse dat het isentropische rendement van de R-744 compressor 26% hoger is dan het isentropische rendement van de R-290 compressor. Dit verschil in isentropisch rendement is de voornaamste reden voor de afname van het verschil in rendement tussen de ideale

17

koudemiddelkringlopen en de gemeten kringlopen. Het isentropische rendement is afhankelijk van de toegepaste elektromotor en het compressieproces. De fabrikant van de R-744 compressor heeft vermeld dat de compressor is uitgerust met een standaard elektromotor voorzien van een start- en aanloopcondensator (CSCR motor). De R-290 compressor is alleen voorzien van een startcondensator (CSIR motor). Dit verklaart al een deel van het verschil. In een onderzoek dat in 1999 werd uitgevoerd door Arthur D. Little Inc, blijkt dat het rendement van een CSCR motor 8 tot 10% hoger ligt dan het rendement van een CSIR motor.

VERGELIJKENDE TEST


Afbeelding 5: R-744 compressor Opgemerkt moet worden dat er R-290 compressoren van gelijke capaciteit verkrijgbaar zijn met een isentropisch rendement dat vergelijkbaar is met dat van de R-744 compressor (bijvoorbeeld de ACC NLY80LA_b is een R-290 compressor met hetzelfde slagvolume als de NL80FB compressor, maar met een 25% hoger rendement). De compressiekamer van de R-744 compressor is (zie afbeelding 5) geïntegreerd in de zijwand van de compressor. Hierdoor heeft de R-744 compressor enkele voordelen in het compressieproces ten opzichte van de standaard hermetische configuratie van de R-290 compressor. In verhouding tot de R-290 compressor zal in de R-744 compressor het zuiggas namelijk relatief weinig opwarmen voordat dit de cilinder bereikt, omdat het gas niet door de compressorbehuizing gaat. Ook zal de warmte die bij het compressieproces vrijkomt, vrij goed worden afgevoerd vanwege de dikke wanden van de compressorbehuizing. Dit effect wordt verder versterkt door de hogere oppervlakte/volumeverhouding van de R-744 compressor (1,5 cm3) ten opzichte van de R-290 compressor (8,1 cm3). Naast deze voordelen door de configuratie heeft ook de hogere absolute werkdruk van R-744 een positieve invloed op het rendement, omdat de relatief benodigde arbeid voor het openen van de kleppen daalt met

een toenemend absoluut drukverschil. Het uiteindelijke effect van deze parameters is niet verder onderzocht. Uit de analyse van de kringlopen blijkt dat de op een na grootste variatie tussen de gemeten en ideale kringloop resulteert uit het verschil tussen de omgevingstemperatuur en de koudemiddeltemperatuur voor expansie. Het effect van deze benaderingstemperatuur is voor de R-744 configuratie veel groter dan voor de R-290 configuratie. Dit kan worden afgeleid uit afbeelding 4, waarin te zien is dat expansie vanaf +35°C in plaats van vanaf de getekende +30°C een sterke invloed heeft op de COPwaarde van het R-744 systeem, terwijl die invloed voor de R-290 configuratie veel kleiner is.

Compressorprestatie Met behulp van vgl. 1, vgl. 3 en vgl. 4 kan vanuit beschikbare compressordata het isentropische en volumetrische rendement op specifieke condities bepaald worden. Voor de toegepaste R-290 compressor resulteerde dit in isentropische rendementen van 0,38 en 0,40 bij verdampingstemperaturen van respectievelijk -35 en -30°C, een condensatietemperatuur van +45°C en een zuiggastemperatuur van -32°C. Met behulp van deze rendementen en het opgestelde rekenmodel is vervolgens de warmtebelasting van het kabinet

18

bepaald op klimaatklasse 4. Op het moment van het onderzoek waren er geen compressor prestatiegegevens beschikbaar voor de R-744 compressor op lage temperatuur (LBP) condities. Vandaar dat de prestatie van de R-744 compressor geverifieerd is op de Re/genT compressor caloriemeter (zie www.re-gent. nl voor verdere uitleg caloriemeter). In afbeelding 6 is een vergelijking gemaakt tussen de prestatie van de compressor gemeten op de caloriemeter en de prestatie van de compressor afgeschat uit de metingen. De nauwkeurigheid van de metingen is aangegeven m.b.v. error bars. De nauwkeurigheid van de caloriemetrische testen was binnen 5% op het volumetrische rendement en binnen 1% op het opgenomen vermogen. Zoals u ziet in afbeelding 6, komt de prestatie van de compressor afgeschat uit de praktische metingen goed overeen met de caloriemetrische resultaten.

R-744 in kleine vriezertoepassingen Het belangrijkste voordeel van R-744 in verhouding tot R-290 is dat het niet brandbaar is. Voor kleine commerciele vriestoepassingen wordt R-290 in hoeveelheden van minder dan 150 gram per koudemiddelcircuit echter algemeen geaccepteerd in alle betreffende EN- en ISO-standaarden. Het toepassen van R-744 heeft ten opzichte van R-290 twee nadelen, namelijk de veel hogere drukniveaus en de lagere COP van de kringloop. De werkdrukken in een R-744 systeem zijn veel hoger dan in een R-290 systeem. Dit leidt tot hogere eisen aan de componenten, en dat heeft weer een negatieve invloed op de productiekostprijs. In tabel 4 is een grove schatting van het kostprijsverschil weergegeven. Het verschil in kostprijs zal gedomineerd worden door de compressor, want voor veel van de andere componenten biedt verkleining van de diameter een uitweg. Een schatting van de compres-

VERGELIJKENDE TEST


Afbeelding 6: prestatie van de compressor gemeten op de caloriemeter en afgeschat uit de metingen sorkostprijs, uitgaande van massaproductie en hoogefficiënte productielijnen, is verkregen door een direct vergelijk van het gewicht van de beide compressoren (R-290 10,9 kg en R-744 15,5 kg). Naast de compressor zal ook de filter-droger een duurdere component zijn in een R-744 systeem, maar aangezien de absolute kostprijs van deze component lager is, zal het effect op de kostprijs veel geringer zijn.

Slotobservaties Omdat de behaalde benaderingstemperatuur, persdruk en verdampingstemperatuur in de metingen uitgevoerd met het R-744 systeem de ideale kringloop benaderen, kan geconcludeerd worden dat het geëvalueerde R-744 systeem een bijna optimale configuratie is op basis van de toegepaste compressor en gebruikmakende van standaard relatief goedkope componenten. Een afwijking echter is de toepassing van de originele verdamper, waardoor de thermische weerstand toeneemt tussen het verdampende koudemiddel en de pakketten op de bodem van het kabinet in verhouding tot het originele R-290 systeem. Door het vergelijk te baseren op de gemiddelde temperatuur van de pakketten is dit effect gedeeltelijk gecorrigeerd. Een

systeem speciaal ontwikkeld voor R-744 zou op de optimale persdruk opereren en zou een verdampingstemperatuur hebben die gelijk is aan de verdampingstemperatuur die met het R-290 systeem werd behaald. Een dergelijk systeem zal draaien met een COP van 0,84 op klimaatklasse 4. Dit komt overeen met een 10% hoger energiegebruik dan het originele R-290 systeem. Hier dient opgemerkt te worden dat het R-744 systeem voorzien was van een extra nakoeler om het rendement van het systeem verder te verhogen. Indien het R-290 systeem ook met een dergelijke nakoeler wordt uitgerust, zal het koudemiddel onderkoelen tot aan de omgevingstemperatuur of zal de condensatietemperatuur afnemen. Hierdoor zal de COP van het systeem toenemen van 0,95 tot 1,0. De evaluatie is uitgevoerd op klimaatklasse 4 (30°C/55%). Berekeningen op andere reële condities leiden tot

vergelijkbare verschillen in praktisch haalbaar rendement. Op basis hiervan is verondersteld dat energiegebruiktesten op een andere referentietemperatuur niet zullen leiden tot andere conclusies.

Conclusie De studie toont aan dat een R-744 systeem principieel duurder en energetisch minder efficiënt is dan een R-290 systeem voor kleine vriezer-toepassingen, zoals de onderzochte vrieskist. Vanwege de geschatte toename in de kostprijs zal een R-744 compressor moeten concurreren met hoog rendement R-290 compressoren, waardoor het energetische verschil verder zal toenemen. Een nadeel van R-290 is dat het een brandbaar koudemiddel is, waardoor bij het gebruik in toepassingen onder 150 gram een klein aantal extra voorzieningen moet worden getroffen (bijvoorbeeld vonkvrije componenten). Voor toepas-

Tabel 4: schatting relatieve kostenstijging

19

VERGELIJKENDE TEST


sing in grote systemen (>150 gram) worden de veiligheidsvoorzieningen echter complexer. Alle testen en analyses zijn uitgevoerd op het directe vergelijk tussen twee compressoren. Toepassing van andere compressoren van hetzelfde type of een ander type (de R-744 compressor wordt handmatig opgebouwd, waardoor variaties in prestatie tot aan 5% mogelijk zijn tussen verschillende monsters) kunnen leiden tot andere rendementswaarden, maar men verwacht dat de uiteindelijke conclusie hierdoor niet zal worden beïnvloed.

Samenvatting Een experimentele en analytische vergelijking is uitgevoerd tussen R-744 (CO2) en R-290 (propaan) als koudemiddel in kleine vriezer-toepassingen. Een standaard vrieskist, voor de verkoop van ijs, voorzien van een hermetische R-290 compressor is geconverteerd naar R-744, gebruikmakend van standaard componenten en een semi-hermetische R-744 compressor. De resultaten van energiegebruik- en temperatuurprestatietesten uitgevoerd op beide systemen zijn beschreven. Tevens worden de systeemmodificaties gepresenteerd die nodig zijn voor de R-744 conversie. De kringlopen van beide systemen zijn geanalyseerd en de verschillen met de thermodynamische ideale kringloop zijn beschreven. De resultaten van de metingen zijn onderbouwd met behulp van compressor prestatiemetingen uitgevoerd op de Re/genT caloriemeter. De theoretische vergelijking van de ideale kringloop toonde aan dat de COP van een R-744 systeem 31% lager is dan de COP van een R-290 systeem bij een omgevingstemperatuur van +30ºC. De me-

tingen uitgevoerd op beide configuraties toonden aan dat de COP van de R-744 configuratie 13% lager is dan de COP van de R-290 configuratie op basis van een gemiddelde pakkettemperatuur van -23°C (gelijke belasting). Het verschil tussen de theoretische en reële kringloop is onderzocht en verklaard. Ten laatste is een kostenvergelijk gegeven, waaruit blijkt dat het verschil in productiekosten gedomineerd wordt door de kosten van de compressor.

components of both systems are evaluated. This shows that the difference in production costs between an R-744 and an R-290 freezer is mainly driven by the compressor.

Referenties Arthur D. Little, Inc, 1999, Opportunities for Energy Savings in the Residential and Commercial Sectors with High-Efficiency Electric Motors. Report 35495-14, Prepared for U.S. Department of Energy

Summary An experimental and analytical comparison between R-744 (CO2) and R-290 (Propane) as refrigerant for small capacity freezer applications is described. A commercially available plug-in freezer cabinet for sales of frozen foods or ice cream, fitted with an R-290 (8,1 cm3) hermetic compressor, was retrofitted to R-744 using standard components and a state of the art R-744 compressor. The results of energy consumption and storage temperature testing on both systems are presented as well as a discussion on the system modifications required for using R-744. Both refrigerant loops are analyzed and the deviations with the thermodynamically ideal loops are discussed. The analysis is further supported by calorimetric tests of the R-744 compressor at low evaporation temperatures. Theoretical comparison of the ideal loops, using performance data from the compressors used in the experiments, shows that the R-744 circuit is 31% less efficient than the R-290 circuit, at normal operating conditions for frozen foods or ice cream. Comparison of the experimental results from the almost fully optimized R-744 freezer with a standard R-290 freezer at an ambient of +30ºC shows that the R-744 freezer is only 13 % less efficient than the R-290 freezer at an average product temperature of –23°C. The differences between the ideal and the real loops are analyzed. Finally, costs of major

21

Gungor K, Winterton R, 1987, Simplified general correlation for saturated flow boiling and comparisons of correlations with data, Chem Eng Res Des, Vol. 65, March 1987 McLinden M, Lemmon E, Klein S, Peskin A, 1998, Thermodynamic and Transport Properties of refrigerants and Refrigerant Mixtures, NIST Standard National Database 23-Version 6.01

NADERE INFORMATIE M. van Beek en M. Janssen Re/genT BV Lagedijk 22 5705 BZ Helmond The Netherlands Tel: +31(0)492 – 47 63 65 Fax: +31(0)492 – 47 63 69 E-mail: [email protected] Website: www.re-gent.nl

R-744 versus R-290 in kleine vriezer-toepassingen

Recommend Documents