Mots-clé
(Allemand)
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TP0074;F-Wärmepumpen und Kälte
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Description succincte
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Integration einer Expansionsmaschine in ein CO2-Kältesystem
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Publications / Résultats
(Allemand)
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Das Kältemittel CO2 kommt in stationären Kälteanlagen vermehrt zum Einsatz. Die relativ schlechte Leistungszahl des teilweise transkritischen Kaltdampfprozesses mit CO2 kann durch Minimierung der Drosselverluste mit einer arbeitsleistenden Entspannung thermodynamisch verbessert werden. In einer realen Anlage im Feld ist eine Expansions-Kompressions-Maschine in eine CO2-Kälteanlage integriert und in Betrieb genommen worden.
Bei der zu integrierenden Maschine handelt es ich um eine Hubkolbenmaschine mit Verdichtungs- und Expansionsteilen und variabler Förderleistung. Die anhand eines Lastprofils dimensionierte Expansions-Kompressions-Maschine wurde an der Technischen Universität Dresden entwickelt, konstruiert, hergestellt und in die transkritische CO2-Anlage eingebaut.
Um die Maschine in die Kälteanlage zu integrieren war es nötig, die Kälteanlage des Cash&Carry Marktes Prodega in Basel mit den nötigen Komponenten zu erweitern. Dazu sind die evaluierten Teile Zwischenkühler, Ölrückführsystem, Rohrleitungen und Armaturen sowie entsprechende Regelkomponenten installiert und in Betrieb genommen worden.
Die Inbetriebnahme der Expansions-Kompressions-Maschine und der zugehörigen Komponenten konnte erwartungsgemäss erfolgen. Technische Probleme in Bezug auf die Regeldynamik, Regelstrategie, Fliessverhalten und Vibrationen konnten bereits fast vollständig gelöst werden. Erste Messdaten zeigen die Übertragung der Expansionsarbeit in den Verdichtungsprozess in einzelnen Betriebszuständen.
Basierend auf den Anforderungen des Konstrukteurs der Maschine ist eine Regelstrategie und das Konzept zur Integration in die Hauptanlage realisiert worden und muss nach nächsten Betriebserfahrungen noch leicht angepasst und optimiert werden. Anschliessend kann anhand von aufgezeichneten Messdaten das Betriebsverhalten untersucht und ausgewertet werden.
Mit dem Projekt wird sich zeigen, ob die Integration einer solchen Maschine zur Effizienzsteigerung bei gewerblichen Kälteanlagen einfach realisierbar und wirtschaftlich ist und für zukünftige oder bestehende Kälteanlagen eine anwendbare Option darstellt.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Frigo-Consulting AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gerber,Raphael
Documents annexés
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Publications / Résultats
(Anglais)
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Carbon dioxide is meanwhile often used as a refrigerant in stationary refrigeration systems. The comparatively poor coefficient of performance in a transcritical CO2 cycle can be improved by minimizing the thermodynamic throttling losses with a expansion-compression unit. In this project, a two stage expander based on a free piston design was integrated into a CO2 refrigeration system to verify the feasibility and the performance of the system in the field.
The expansion-compression-unit has a variable flow rate and is expanding the refrigerant on one side while partly compressing the refrigerant on the other side. It was designed, machined and assembled at the Technical University of Dresden (Germany) and then integrated into the main refrigeration plant.
The integration of the machine into the refrigeration system required extension of the main refrigeration plant at the cash&carry market Prodega in Basel with additional components. These chosen components such as an intercooler, the oil return system, piping and valves, control components and the expansion-compression-unit itself have been successfully installed and commissioned.
Based on requirements of the constructor of the expansion-compression-unit a regulation scheme was developed and realized with different partners and has successfully been implemented into the standard refrigeration controls through defined interfaces. Future operation will give the possibility to adapt and optimize controls and allow measurement data to be collected in order to analyze the operation of the system and its performance. First measurements prove the transition of extracted expansion work into the compression process and thus improvement of the COP at certain conditions.
Technical problems have partly been solved in terms of fluid flow, control strategy, dynamics and mechanics.
This Project will give first results on whether the combination of a CO2 refrigeration system with an expansion-compression unit is actually feasible and economically acceptable for this application in new or existing refrigeration plants.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Frigo-Consulting AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gerber,Raphael
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Rapport final
(Allemand)
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Kohlendioxid ist als Kältemittel in Anwendungen wie Warmwasserwärmepumpen, Autoklimaanlagen und vor allem der Gewerbekühlung bereits effizient. Die Leistungszahl eines transkritischen CO2-Prozesses kann durch Minimierung der thermodynamischen Drosselverluste durch eine Expansions-Kompressions-Maschine (ECU) weiter erhöht werden.
In diesem Projekt wurde eine ECU, basierend auf dem Prinzip einer Freikolbenmaschine, in ein CO2-Kältesystem integriert, um die Machbarkeit und die Leistungsfähigkeit im Feld zu prüfen.
Die ECU wurde dimensioniert, konstruiert und zusammengebaut. Die Integration der Maschine in das Kältesystem erforderte Evaluation, Auslegung und Einbau zusätzlicher Komponenten wie Zwischenkühler, Verbindungsleitungen, Ventile und Regeleinrichtungen. Ein Steuer- und Regelkonzept wurde erarbeitet und erfolgreich in die Standardregelung integriert.
Technische Probleme in Bezug auf die Schmierung der Maschine, der Regelstrategie, Anlagedynamik und Pulsationen nach der Inbetriebnahme des Kältesystems konnten grösstenteils gelöst werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Frigo-Consulting AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gerber,Raphael
Documents annexés
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Rapport final
(Anglais)
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Carbon dioxide is known to perform well as a refrigerant in applications like heat pump water heaters, mobile air conditioning and commercial refrigeration. The coefficient of performance in a transcritical CO2 cycle can further be improved by minimizing the thermodynamic throttling losses with an expansion-compression-unit (ECU).
In this project, an ECU, based on a free piston design, was integrated into a CO2 refrigeration system to verify the practicability and the performance of the system in the field.
The ECU was designed and dimensioned, machined and assembled. The integration of the machine into the refrigeration system required evaluation, design and assembling of additional components such as an intercooler, piping, valves and control components. A regulation scheme was developed and has successfully been implemented into the standard refrigeration controls.
Technical challenges have been met in terms of lubrication, control strategy, dynamics and mechanics after commissioning the refrigeration plant and the ECU.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Frigo-Consulting AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gerber,Raphael
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