pentapropeffsysexpand.se/.../10/...miljövänlig-bergvärmepump-klas-andersson.… · 2017-10-20...
TRANSCRIPT
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 1
PentaProp
Bästa teknologi för miljövänlig bergvärmepump
Kyl och Värmepumpdagen, Stockholm, 2017-10-20
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 2
PartnerKTH, EnergiteknikProfessor Björn Palm
Granryd ConsultingProfessor emeritus Eric Granryd
Medfinansiärer
Projektledare, UtförareKlas Andersson EngineeringKlas Andersson
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 3
Mål
Cost: x Cost: x-y?
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 4
ResultatEfter första året - Halvvägs
> 5 kW värme
< 100 gram R290
COP1 < 5
Rent vatten som köldbärare
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 5
Nytt Mål
10 kW värme
< 150 gram R290
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 6
SlutresultatEfter två år
10 kW värme
100 gram R290
COP1 ~ 5 vid 5kW
Rent vatten som köldbärareFrysrisk!
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 7
Hur• Minimala inre volymer• Rimligt tryckfall
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 8
Värmeväxlare
2004 2013 2017
~ 0,44 liter/m2~ 0,9 liter/m2 ~ 0,5 liter/m2 < 0,4 liter/m2
Förångare ~ 70g R290 Kondensor ~ 125g R290
Förångare < 30g R290 Kondensor < 60g R290
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 9
PentaPropAirec / Granryd
Små portarNytt mönster - Underkylare
spalt < 1mmAsymmetrisk
Befintligtillverkningsteknik
Olika mönster för kondensor och förångare
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 10
Ytterligare potential finns
5kW 10kW • Fler plattor i kondensorn• Samma förångare
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 11
364
mm
23 kg
1300 cm3
Esterolja
33 cm3Kompressor
~ 70 g R290
Copeland ZH04
220
mm
6,8 kg
0-150 cm3
PAG-olja
Sanden SHS33
< 15 g R290
700-9000 rpmTålig, Tyst
SemihermetiskKort livslängd
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 12
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Traditionell POE Ny varvtalsstyrd POE Sanden PAG
gram
Fyllnadsmängd i kompressorUngefärliga uppskattningar
Högtrycksida Lågtrycksida Olja T1sat=40°C Tut=65°CT2sat=5°C Tin=19°CTolja=34°C
Dehua Cai a, Guogeng He a,*, Tetsuhide Yokoyama b, Qiqi Tian a,Xiaohan Yang a, Jiao Pan aSchool of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Chinab Mitsubishi Electric Corporation, Amagasaki 200030, Japan
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 13
Suggas 6 st. 8x2mm
Vätska 2 st. 4x1mm
Suggasvärmeväxlare
Vätska 3 st. 10x0,6 mm
Suggas 16 st. 10x1,2mm
L = 400 mmL = 300 mm
Skrot 5kW 10kW
Temperaturverkningsgrad ~ 0,4 Temperaturverkningsgrad ~ 0,5
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 14
Torkfilter
5 kW 10 kW
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 15
Expansionsventil – Kontroll
1 a b c d e f
30mm
3 Sanhua ventiler 8 kombinationer
5 kW 10 kW
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 16
Refrigerant Propane Pressure line Liquid line. Filter/dryer to sight glass Expansions valve liquid side Suction line. Evap to suc hex Service vale and connection
T1,sat [°C] 40 Pressure line 0,5 0,5 d [m] 0,00783 d [m] 0,003 d [m] 0,0043 d [m] 0,011 d [m] 0,005
T2,sat [°C] 2 Condenser inlet port 0,2 L [m] 0,4 L [m] 0 L [m] 0,06 L [m] 0,6 L [m] 0,1
Tdischarge [°C] 75 Condenser channels 49,6 ∆psat [Pa] 1511 ∆psat [Pa] 0 ∆psat [Pa] - ∆psat [Pa] 1046 V [m3] 1,96E-06
Mass flow [kg/s] 0,015 Condenser outlet port 0,7 ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,05 ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,00 ∆Tsat(∆psat) [°C] - ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,07 Charge [g] 0,0
ηsuc,hex 0,5 Total in condenser 50,5 Charge [g] 0,5 Charge [g] 0,0 Charge [g] 0,4 Charge [g] 0,57
Tsuc,gas [°C] 21 Liquid line. Cond to filter/dryer 0,0 P1 Pressure meter
p1,sat [MPa] 1,369 Filter/Dryer 2,8 PentaProp Condenser Sight glass Expansions valve: p2 side Suchex vapour inlet manifold d [m] 0,01
p2,sat [MPa] 0,504 Liquid line. Filter/dryer to sight glass 0,0 Number of plates 50 d [m] 0,004 d [m] 0,005 Charge [g] 0,07 L [m] 0,05
ρliq [kg/m3] 467,5 Sight glass 0,0 L [m] 0 L [m] 0,04 V [m3] 3,93E-06
ρdischarge [kg/m3] 24,5 Liquid line. To suc/liq. hex. 0,4 Condenser inlet port ∆psat [Pa] 0 ∆psat [Pa] - Suchex vapour hex channels Charge [g] 0,1
ρsuction,gas [kg/m3] 10,0 Suc./liq hex: liquide side 3,6 d [m] 0,013 ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,00 ∆Tsat(∆psat) [°C] - Charge [g] 0,58
ρexp.valve,out [kg/m3] 57,4 Liquid line. To exp valve 0,7 L [m] 0,054 Charge [g] 0,0 Charge [g] 0,0 P2 Pressure meter
ρcondenser,vapor [kg/m3] 30,2 Total liquid parts 7,5 ∆psat [Pa] 18 Suchex vapour outlet manifold d [m] 0,01
Expansion valve: liquid side 0,4 ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,00 Liquid line. To Suc/liq hex Line Exp. valve to evaporator inlet Charge [g] 0,07 L [m] 0,05
Expansion valve: p2 side 0,0 Charge [g] 0,2 d [m] 0,003 d [m] 0,0063 V [m3] 3,93E-06
Line to evaporator inlet 0,4 L [m] 0,13 L [m] 0,2 Suction line to compressor Charge [g] 0,0
Total in expansion valve 0,8 Condenser channels ∆psat [Pa] 3971 ∆psat [Pa] 7390 d [m] 0,011
Evaporator inlet port 0,2 Charge [g] 49,6 ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,13 ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,49 L [m] 0,5 Pressure security valve
Evaporator channels 26,79 Charge [g] 0,4 Charge [g] 0,4 ∆psat [Pa] 872 d [m] 0,02
Evaporator outlet port 0,1 Condenser outlet port ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,06 L [m] 0
Total in evaporator 27,2 d [m] 0,006 Suchex liquid inlet manifold PentaProp Evaporator Charge [g] 0,5 V [m3] 0,00E+00Suction line. Evap to suc hex 0,57 L [m] 0,054 Charge [g] 0,49 Number of plates 30 Charge [g] 0
Suc./liq hex: vapor side 0,7 ∆psat [Pa] 60 Compressor p2 side
Suction line to compressor 0,5 ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,00 Suchex liquid hex channels Evaporator inlet port Charge [g] 4,02 Closing solenoid valveTotal in vapor suction lines 1,8 Charge [g] 0,72 Charge [g] 2,62 d [m] 0,013 d [m] 0,00465
Compressor p2 side 4,0 L [m] 0,032 Compressor oil L [m] 0
Disolved in compressor oil 1,3 Liquid line. Cond to filter/dryer Suchex liquid outlet manifold ∆psat [Pa] 37 Charge [g] 1,27 ∆psat [Pa] 0
Compressor p1-side 6,7 d [m] 0,00465 Charge [g] 0,49 ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,00∆Tsat(∆psat) [°C] 0,00
Total in compressor 12,0 L [m] 0 Charge [g] 0,2 Compressor p1 side Charge [g] 0,0
Service valve and connection 0,0 ∆psat [Pa] 0 Liquid line. To expansion valve Charge [g] 6,68
p1-Pressure meter 0,1 ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,000 d [m] 0,003 Evaporator channels p2-Pressure meter 0,0 Charge [g] 0,0 L [m] 0,2 Charge [g] 26,8
Pressure security valve 0,0 ∆psat [Pa] 6109
Closing valves 0,0 Filter/Dryer ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,19 Evaporator outlet portTotal in accessories 0,2 d [m] 0,0143 Charge [g] 0,7 d [m] 0,013
L [m] 0,075 L [m] 0,032
Fraction free volume 0,5 ∆psat [Pa] 8
V [m3] 6,02E-06 ∆Tsat(∆psat) [°C] 0,00
Charge [g] 2,8 Charge [g] 0,13
Delarna ihop - Systemet
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 17
0
10
20
30
40
50
60
gram
Köldmediefördelning - 10 kW Beräknad fördelning
PentaProp 100g
Tänkt system 148g
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 18
0,62
0,63
0,64
0,65
0,66
0,67
0,68
2,6 2,7 2,8 2,9
η is
Pressure ratio p1/p2
Compressor Isentropic Efficiency
4,44,54,64,74,84,95,05,15,25,35,45,5
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0 2 4 6 8
COP 1
η CO
P1,C
arno
t
Överhettning [K]
VerkningsgradT1sat=40°C T2sat=0,6-4°C
Carnot efficiency
COP1
Systemets Egenskaper
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 19
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8
Und
erky
lnin
g [K
]
Överhettning [K]
Köldmediefördelning
En kul detalj – Nog så viktig
1000110012001300140015001600170018001900
0 2 4 6
UA1
[W/K
]
Underkylning [K]
Uppbackning i kondensorn
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 20
95 gram Propan – 10kW
2520 4275 5535rpm 10352520 675
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 21
Coaxial collektorStandard U-collektor
Coaxial kollektor
Energy storage2m3 water(10 dm3/m)
Insulation
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 22
U-kollektor
Halverat termiskt borrhålsmotstånd
9°C
7,5°C 8,8°C
Koaxial
200
m
6,7°C5,4°C
T2=2,4°C T2=3,7°C
COP1 = X COP1 ~ 1,04·X
Allt annat lika
2m3 rentvatten
Kollektor
+ Prestanda+ Etanol brännbart- Frostrisk- Sugande pump
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 23
Model indataFlow: 1,67 m3/hRock: 9°C (constant along depth)Tin: 6,7°C
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
0 50 100 150 200
Tem
pera
ture
[°C
]
Depth [m]
Temperature distribution
CentreAnnulus
Koaxial kollektor - Karakteristik
Total capacity: 4,1 kW
Measured
6,7 – 8,8°C at 1,67 m3/h
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150 200
Heat
[W
/m]
Depth [m]
Heat from rock
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 24
0
10
20
30
40
50
60
70
gram
För brått i Vladivostok?15-? kW
Tänkt system 150g
Vision 1
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 25
Vision 2Nästa Projekt
Lågprisel nattetidSolceller
VindUttjänta elbilsbatterierfår ett andra liv
PentaProp 24kW kyla <150g R290
PentaProp 1
DC källa to DC last
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 26
Ref: www.fuchs-schmierstoffe.com
Hygroskopisk- Suger åt sig vatten • Stor torkare• Lång tid för vakuumpumpning• Noggrann hantering
Problem med PAG-olja
Löser R290 dåligt• Oljeretur• Värmeövergång• Viskositet - Smörjning
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Prop
ane
in o
il [g
]Oil temperature[°C]
T2=5°C / 5,5 bar
1100g PAG oil
150g PAG oil
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 27
OLJAMäta mättnadstemperatur
EMKARATE RL 22H POE- Esterolja med propanRef: CTI
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 28
Benling
TKT
Panasonic
King LeoDenso
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 29
Bitzer
Typ 1 - 2015
Korrosion
FyllnadsmängdFörångare: 28gKondensor: 96g
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 30
Granryd /Airec - 2017?
δ < 1mm
<0,3 liter/m2
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 31
Pressing tool – Experimental platesSoldering testPressure strengthModels 2-phase sideCFD water sidePort design
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 32
Modell - Eric Granryd
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6
Hex.
leng
th [m
]
Char
ge [g
]
Plate distance [mm]
Condenser
Charge
Length
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,22
0,24
0,26
0,28
0,30
0
10
20
30
40
50
60
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6
Hex.
leng
th [m
]
Char
ge [g
]
Plate distance [mm]
EvaporatorCharge
Length
Q1=5kW T1,sat=40°CTr,in=80°C Tr,out=38°Cmwater=0,2kg/s Tw,in=33°C Tw,out=39°C
Channels only
Q2=4kW T2,sat=2°CTr,out=4°Cmwater=0,47kg/s Tw,in=6°C Tw,out=4°C
Aluminium Typ 1 Aluminium Typ 2
Pressed tubes stacked
Original tube
Tube after pressing 0,3mm
Gamla VärmeväxlareFernando, Granryd, Palm mfl. (Doktorsavhandling 2007)
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 33
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 34
Ref:LGWP & HC refrigerant solubility tests performed in running scroll compressor, Pierre GINIES *, Guillaume REBIÈRE; Julie MANDON ; Jean Guillaume CHEURLIN, 23rd International Compressor Engineering Conference at Purdue, July 11-14, 2016
Difference: Static vs. Real compressor running-Stirring-Foaming
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 35
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Tem
pera
ture
[°C
]
Time [days]
Depth = 175 m0,06
0,26
0,66
2,15
Radius [m]
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Tem
pera
ture
[°C
]
Time [days]
Depth = 10m0,06
0,26
0,66
2,15
Radius [m]
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 36
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
0 10 20 30 40
Tem
pera
ture
[°C
]
Time [days]
Depth = 175 m0,060,260,662,15
Radius [m]
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
0 10 20 30 40
Tem
pera
ture
[°C
]
Time [days]
Depth = 10 m0,060,260,662,15
Radius [m]
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 37
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
0 50 100 150 200
Tem
pera
ture
[°C
]
Depth [m]
Temperatures after 30 days
CentreAnnulusRock r=6 cm
Total capacity: 4,1 kW
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 38
Testrigg version 0
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 39
Filter/DryerSuction hex.
Sight tube
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 40
Testrigg 5kW
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 41
Charge < 150 gram
0,22 / 0,46 kg/s
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 42
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 43
Saftey
Propane (R290)
EN 378 Requirement for maximum charge as a function of volume and location< 150 g No requirements
EN 60335-2-40:2013Household and similar electrical appliances - Safety - Part 2-40: Particular requirements for electrical heat pumps, air-conditioners and dehumidifiersRisk analysis, Leak simulation
ISO 817/Ashrae 34
Dimplar Fiskben
Traditionellt fiskbensmönster - Danfoss Micro Plate
δ ~ 2mmδ ~ 1mm
FyllnadsmängdFörångare ~ 70gKondensor ~ 120g
~ 0,9 liter/m2
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 44
~ 0,5 liter/m2
Kondensor: Vätskepool
Förångare: Annulärt flöde? Väts
ka
Vätska
Gas
Förlorad yta
Vattensidan: Igensättning?
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 45
Rektangulära aluminiumrörP. Fernando, E. Granryd, B. Palm mfl.
Kanal 1x2,6mm
KorrosionSvår att tillverka
Pressed tubes stacked
Original tube
Tube after pressing 0,3mmFörångare ~ 28g R290 Kondensor ~ 96g R290
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 46
Suction gas/liquid line heat exchangerηhex - Performance test set up
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 47
Klart hösten 2017
Budget 1,89 miljoner Varav 50% från Energimyndigheten
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 48
2016Nya värmeväxlareTestrigg
2017Allt på plats i testriggTest
ResultatNya värmeväxlare i en fungerande värmepump
(Presentationer, artiklar, rapport)
Genomförande
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 49
Industrialisering - Modul ”plug and play”
Ingen hantering eller service på fältet
Power supply
Data
Coolant Tap water Radiators- Eastern Europé- East Asia- Latin America- Scandinavia
Large scale manufactuing in?
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 50
Suction gas/liquid line heat exchanger
Gas side: 6 parallell channels 8x2mm 0,4g ∆T(∆p): 0,15°CLiquid side 2 parallell channels 4x1mm 1,6g ∆T(∆p): 0,5°C
Length: 400mm
Temperature effectiveness app. 0,4
2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 51
BakgrundTidigare projekt
- Förångare och kondensor av extruderade aluminiumrör1
Liten fyllnadsmängd men korrosionsproblem- Koaxial kollektor2
Komponenter/Byggsätt- Kompressor elfordon- Nya värmeväxlare med mindre volym- Vitvaruindustrin
Miljö-Lagstiftning- F-gasförordning: Dagens köldmedier med hög växthuseffekt ska fasas ut enligt EU-direktiv- Skydd av grundvattentäkter (svårt tex. i Tyskland)
Säkerhet-Bra, billiga, naturliga köldmedier brandfarliga. Propan, Isobutan, NH3, mfl.-EN 378 Säkerhetsstandard < 150 gram-IEC 60335-2-40 (riskanalys, simulering av läcka)
Industrialisering- Hantverk och många aktörer => Massproduktion och konsolidering (som vitvaror/AC)- Kostnad!
1. Primal Fernando2. Jose´ Acuna