Transcript hier de Selor Rate Card

GASKOELER
RCC Koude & luchtbehandeling
Tekst: ing. Dick Havenaar
Vernieuwing in gaskoelerontwerp
en selectieprogramma
GEA Searle heeft
ft meer dan 90 jaar ervaring in het
ontwerpen en produceren van gevinde luchtwarmtewisselaars en werkt al vele jaren nauw samen met de
koeltechnische industrie voor het ontwikkelen van
systeeminnovaties. Het bedrijf heeft
ft de hernieuwde
belangstelling voor CO2 als koudemiddel dan ook gebruikt
om in samenwerking met klanten en onderzoekers de
toepassing verder te ontwikkelen.
D
56
MEI 2014 107 e JAARGANG
Pressure (logarithmic scale)
en GWP=1, wordt
CO2 door velen
gezien als een
milieuvriendelijk Afb. 2: Mollier-diagram transkritisch proces.
en bedrijfszeker
koudemiddel met veel toepassingsterwijl het CO2-systeem subkritisch
mogelijkheden. Er bestaan diverse
werkt bij lagere omgevingstempemogelijkheden om CO2 toe te
ratuur. Als de omgevingstemperatuur stijgt, komt de condensatiepassen zoals in een direct systeem,
temperatuur boven het kritische
in een secundair systeem of als
punt (CP=31°C/73 bar) en gaat de
cascade. Een veel voorkomend
hoge drukzijde van het systeem in
transkritisch systeem staat bekend
de transkritische fase werken (zie
als boostersysteem, waarbij de
afb. 1 rechts). Omdat, als gevolg van
bijbehorende compressortechnolode verhoogde omgevingstemperagie gebruik maakt van de LT- en
tuur, het mengsel van gas en
MT-trappen van het systeem om de
vloeistof in de transkritische fase
compressieverhouding en de
overgaat naar alleen gas kan er geen
efficiency te verbeteren.
condensatie meer plaatsvinden.
Condensatie van gasvormig
De gaskoeler
koudemiddel is dus niet meer
De gaskoeler werkt in principe (zie
mogelijk als de warmte-uitwisseling
afb. 1 links) als een conventionele
plaats vindt in het superkritische of
condensor (zij het onder uitzondertranskritisch gebied. Dit superkritilijke bedrijfsomstandigheden)
sche koudemiddelgebied in het
mollierdiagram wordt aangeduid als
het gasgebied; daarom is het begrip
GAS COOLING
‘gas koelen’ ingevoerd en wordt de
3
2
warmtewisselaar 'gaskoeler' geCP
CP
3
2
noemd (zie afb. 2).
CONDENSATION
EXPANSION
COMPRESSION
De regeling van de werkdruk en de
EXPANSION
COMPRESSION
overgang tussen het sub- en
4
1
4
1
transkritisch gebied wordt uitgeEVAPORATION
EVAPORATION
voerd met een elektronisch ventiel
(zoals de Danfoss ICMT-gasklep
met regeling of Carel EEV) met een
regelalgoritme voor maximale
Specific enthalpy
Specific enthalpy
efficiëntie. Bedrijfsdrukken en
temperaturen boven 100 bar en een
Afb. 1: Mollier-diagrammen conventionele condenser en gaskoeler.
Pressure (logarithmic scale)
e onderneming heeft
recentelijk een twee jaar
durend onderzoek naar
CO2-gaskoelers in samenwerking
met de Brunel Universiteit in
Londen afgerond. Tijdens het Brunel
Seminar van 23 januari 2014 zijn de
onderzoeksresultaten gepresenteerd
door Simon Jones BSc en Sean
Armitage, respectievelijk Engineering Manager (R&D) en Sales
Manager van GEA Searle. In het
maartnummer van RCC K&L heeft u
al een en ander over nieuwe ontwikkelingen op het gebied van
CO2-transkritische koelsystemen en
compressoren kunnen lezen. In het
artikel dat nu voor u ligt, wordt
ingegaan op de onderzoeksresultaten en de vernieuwing van de
gaskoeler.
Zoals bekend, is CO2 een zeer efficient koudemiddel met een hoog
thermisch vermogen. Met ODP=0
GASKOELER
Koude & luchtbehandeling RCC
Afb 4a: Originele blok geometrie.
Afb. 4b: Optimalisatie warmteoverdracht
door horizontale splitsing van blok.
Metingen aan gaskoeler-testinstallatie.
gasintrede temperaturen boven
100°C, vergen extra aandacht in de
constructie van een gaskoeler.
Het onderzoeksproject
Doel van het project is om meer
inzicht te krijgen in de werking en
toepassingen van het transkritische
koelproces met CO2. Toegevoegde
waarde en productkennis zijn
immers van belang om klanten
deskundig te adviseren in de
toepassing en verkoop van gaskoelers.
Afb. 3: CO2 Booster-systeem.
Het optimaliseren van een conventionele gevinde luchtwarmtewisselaar (condensor), specifiek voor
gebruik als gaskoeler, is met de al
eerder genoemde functionele
eigenschappen niet de beste optie.
Daarom is gekozen voor het
ontwikkelen en het gebruik van een
wiskundig model dat ook als
selectieprogramma voor gaskoelers
kan worden gebruikt. De functionele prestatie van een warmtewisselaar ‘kennen’ is immers essentieel
om de klant een gaskoeler te
leveren die voldoet aan
de gewenste specificaties en condities. Voor
het onderzoek is
hiervoor in het laboratorium van de Brunel
Universiteit een
systeem met heteluchtrecirculatie ontwikkeld
waarbij zoveel mogelijk
bedrijfscondities
konden worden
gesimuleerd. Eigenlijk
het tegenovergestelde
wat je in de praktijk zou
willen. De gaskoeler
vormt onderdeel van
een CO2-boostersysteem zoals in veel
supermarkten onder
Afb. 4c: Optimalisatie warmteoverdracht
door verticale spleet in blok.
andere in de UK worden toegepast
(zie afb. 3).
Warmtewisselaar
Het hogere thermisch vermogen en
de verbeterde warmteoverdracht
van dit koudemiddel CO2, resulteerde in de mogelijkheid om een
geringere luchtcirculatiehoeveelheid en gereduceerde koudemiddelinhoud te realiseren. In combinatie met de hoge bedrijfsdruk
heeft dit geleid tot een buisdiameter
van 8 mm als de meest optimale
oplossing voor deze toepassing. De
buisdiameter zal hoogstwaarschijnlijk verder verkleind worden naar 6
mm om te komen tot minder
koudemiddelinhoud met dezelfde
prestaties. Een uitgebreide CFDanalyse heeft geleid tot optimale
blokgeometrie. Onderzoeksresulta-
107 e JAARGANG MEI 2014
57
GASKOELER
RCC Koude & luchtbehandeling
reductie van de luchthoeveelheid
een veel grotere efficiëntie van de
warmtewisselaar tot gevolg heeft,
mede door het geringere benodigde
ventilatorvermogen en maar een
heel klein deel als gevolg van
reductie van het thermisch vermogen of capaciteit. ( Efficiency =
Warmteoverdracht / Opgenomen
ventilatorvermogen).
Afb. 5: Uitvoering gaskoelerblokken met expansie/krimp-voorziening.
ten toonden aan dat er significante
temperatuurveranderingen optraden bij de intrede van de warmtewisselaar. Door een horizontale
splitsing van het blok steeg de
warmteoverdracht met zeven
procent en met de toevoeging van
een verticale spleet werd de prestatie nog eens met twee procent
verhoogd (zie afb. 4 a,b en c).
Vanwege de optredende grotere
temperatuurverschillen bij de
gaskoeler (twee tot drie maal hoger
in vergelijking met conventionele
koudemiddelen) is het mogelijk om
de luchthoeveelheid te verminderen en het aantal pijpenrijen in de
hoogte (pijpen diep) te vergroten.
Het ventilatorvermogen, de geluidproductie en de afmetingen van de
gaskoeler (footprint) kunnen door
het vergroten van het aantal rijen
pijpen hoog of diep, worden
teruggebracht met behoud van het
thermisch vermogen of capaciteit.
De verhouding of relatie tussen de
luchthoeveelheid en thermisch
vermogen of capaciteit is bij de
gaskoeler geheel anders dan bij
conventionele condensors voor
HCFK- en HFK-koudemiddelen. Dit
komt doordat bij de gaskoeler de
Afb. 6a : Roestvrijstalen headers/verdelers
en aansluitingen.
58
MEI 2014 107 e JAARGANG
Wiskundig model
Het wiskundige model is voor GEA
Searle ontwikkeld door Dr. Yunting
Ge, van de Brunel Universiteit in
Londen. Het is gebaseerd op
uitgebreide testresultaten en
CFD-analyse. Het omvat de werking
in kruis- en tegenstroom van het
koudemiddel. De eigenschappen
kunnen worden ingesteld en
berekend tijdens de verschillende
stadia tijdens het gasafkoelproces.
Het wiskundige model is ingebouwd in een selectieprogramma
die oplossingen selecteert uit het
uitgebreide leveringsprogramma
van de gaskoelers van GEA Searle.
kunnen de lamellen uitgevoerd
worden met louvres om te komen
tot ongeveer twaalf procent meer
capaciteit. GEA Searle levert deze
meestal in een aluminium/magnesium-uitvoering, omdat dit een
legering is. Diverse fabrikanten
leveren aluminium met een coating
met grotere kans op corrosie. Zeker
bij toepassing van lamellen met
louvres is de kans op corrosie groter
bij aluminium met een coating, dan
bij aluminium/magnesium.
Uitzetting en krimp
Het programma omvat een aantal
modules met een lengte voor vier
ventilatoren. Van 1,2 mtr. lengte tot
12 mtr. lengte en tot een breedte
van 2,2 mtr.. De gaskoelers zijn tot
nu toe beschikbaar tot een vermogen van 700 kW en met geluidsgegevens van 15 dB(A) tot 72 dB(A) op
10 mtr. afstand. De koelers zijn
voorzien van zijplaten en in het
frame geïntegreerde pijpplaten. Er is
een uitgebreide serie met modules
M-N-P1-P2 beschikbaar voorzien
van 1-20 ventilatoren met een
lengte van 1,2 tot 12 mtr. Ook
Het blok is opgesplitst in een
boven- en ondersectie. De bovensectie is uitgevoerd met grote en
de ondersectie met kleine expansieopeningen of uitzetnaden (zie afb.
5). Deze voorziening is opgenomen
in alle gaskoelerblokken voor de
opvang van de verschillende mate
van uitzetting en krimp. Toegevoegd aan de expansie-openingen
in het blok zijn eveneens de grote
pijpplaten en een aantal extra
aangebrachte pijpen om het blok
spanningsvrij te laten bewegen. Het
blok is ondersteund bij elke ventilatormodule door een in het frame
opgenomen stalen pijpplaat. Elke
pijpplaat is voorzien van een in
aluminium uitgevoerd inzetstuk dat
elke koperen pijp afzonderlijk
ondersteunt. De headers of verdelers van elke gaskoeler zijn vervaardigd uit 304L roestvrij staal met nota
bene roestvrij stalen aansluitingen
(zie afb. 6a). Voordelen hiervan ten
opzichte van zachtere staalsoorten
zijn de anticorrosieve bestendigheid
en de langere levensduur. Ook kan
er butt-welded worden gelast, die
honderd procent gecontroleerd kan
Afb. 6b: Gaskoeler voorzien van laklaag.
Afb. 7: Sterkte druktest met stikstof 170 bar.
De serie GF-gaskoelers
GASKOELER
Koude & luchtbehandeling RCC
DKL-2MDN
67+*
Bezoekers van het seminar.
worden op dichtheid. Na de fabricage en het testen
worden de gaskoelers gespoten (zie afb. 6b).
Testen van de gaskoelers
De eerste lektest vindt plaats in een waterbad onder
luchtdruk met een druk van 69 bar. Een sterkte
druktest vindt plaats onder een druk van 170 bar,
om zeker te zijn van lekdichtheid tijdens maximale
werkdruk onder bedrijfscondities van 120 bar (zie
afb. 7).
Ventilatoren
GEA Searle voorziet de gevinde luchtwarmtewisselaars en gaskoelers van ventilatoren gebaseerd op
geavanceerde en betrouwbare technologie. Dit
betreft AC, EC, AxiTop, ZA Plus en de binnenkort
vrijgegeven FlowGrid. De meeste gaskoelers
worden geleverd met gelijkstroommotoren in
verband met subsidie.
Selectie software
Voor het selecteren van gaskoelers is medio juli een
nieuw ontwikkeld selectie programma beschikbaar.
Over de auteur
De auteur is voorzitter van de redactieraad van RCC
Koude & Luchtbehandeling RCC K&L
D(54(&* E=)* "#F4* G4H&I"B* G"(54#* )A'=J5*
.,/-0+12"'"3",45
!"#$%"#$&'())'*+,*-*+.
Meer informatie:
/,.0*12*3"''4(5)6
Gafco-Altron B.V.
Postbus 7, 2740 AA, Waddinxveen
Zuidelijke Rondweg 5, 2741 RA, Waddinxveen
T: 0182 - 642323
E: [email protected]
I: www.gafco-altron.nl
I: www.searle.co.uk/en-gb/Components/Condensors/Pages/GasCoolers.aspx
!*7/+*8,9+,*-*./0*:;*<<
"*=#>"?6@A'=-=6B"('C#A
D>>=O=44A*5=
*5=&'(=H@'4@(P*
###$%&'!()(%*+,!$-'
107 e JAARGANG MEI 2014
59