Analyse av høytemperatur ammoniakk kjøle- og varmepumpeanlegg ved NTNU

摘要

Et kombinert kjøle- og varmepumpeanlegg for datakjøling på NTNU er studert i denne oppgaven. Anlegget er et ett-trinns anlegg som består av to aggregater, hver med ca. 400 kW kjølekapasitet og ca. 600 kW nominell varmeytelse. De to aggregatene er av trykklasse 40 bar (Aggregat 1) og 52 bar (Aggregat 2), og benytter ammoniakk (R717, NH3) som arbeidsmedium. Anlegget er tilknyttet det interne isvannsnettet og det interne fjernvarmenettet på Gløshaugen, og er dimensjonert for 7/12 °C på fordampersiden og maksimalt 65/80 °C på varm side. På varm side er vanntemperatur-økningen delt i 65°C -72°C på Aggregat 1 og 72°C -80 °C på Aggregat 2.Det er hele 7 varmevekslere i serie på anleggets høytrykksside. Deres rekkefølge og prosentvise bidrag til total varmeytelser er i et referansepunkt beregnet til å være som følger: kondensator (35 %), oljekjøler (11%) og overheter (0,7 %) i Aggregat 1, og underkjøler (9%), oljekjøler (17%), kondensator (25%) og overheter (2,2%) i Aggregat 2. Alle varmevekslere er av typen plate-mantel, unntatt fordamper (par-sveiset plateveksler) og overheter (rørkjel).Ammoniakk er som arbeidsmedium kjent for sine termofysikalske overlegne kvaliteter, men også for svært høye trykkgasstemperaturer. Disse holdes lave på dette anlegget ved bruk av svært god oljekjøling på de to høy-teknologiske twin-skruekompressorene, og et effektivt oljeretursystem med oljekjøler. Senkningen i trykkgasstemperatur ved bruk av oljekjøling er betydelig (106 og 168 °C i henholdsvis Aggregat 1 og Aggregat 2), og gir lave trykkgasstemperaturer på 70-90 °C. Gjennomsnittlig effektfaktor, COP (Coefficient of Performance), på anlegget er funnet til å være ca. 1,7 for kjøling og ca. 2,7 for varme. Dette gir totalt ca. 4,4 i totalt energiutbytte, og anlegget gir ca. 75% reduksjon i energiforbruk sammenlignet med et rent elektrisk system (η el = 1). Videre er fall i COP påvist å være ca. 2 % per °C økning i inngående vanntemperatur på varm side av anlegget.Kompressorene, og dermed anleggets ytelse, reguleres ved bruk av både turtalls- og sleideregulering, fra henholdsvis 100-50% og 50-10% ytelse. Gjennom målinger er COP vist å synke drastisk ved bruk av sleideregulering, og effektiviteten synker med 0,7-1,5 % per prosent reduksjon i kjøleytelse.Anlegget er i sammenligning med to alternative anlegg for prosesskjøling vist å være et effektivt anlegg, spesielt ettersom det kun har ett kompresjonstrinn. Den forventede varmeleveransen fra de tre sammenlignede anleggene er vist å være tilnærmet lik. Teoretisk årsgjennomsnittlig COP er høyest ved det analyserte anlegget (ca. 4,2). Målte verdier er imidlertid funnet å avvike fra dette (ca. 3,2). Ammoniakk er en svært giftig gass, og anlegget har derfor et høyteknologisk og velutstyrt sikkerhetssystem for deteksjon og håndtering av eventuelle gassutslipp. Dagens sikkerhetskrav er funnet til å være unisone i hele den vestlige verden, og gir gode retningslinjer for å sikre fortsatt lave tall for ammoniakkulykker innen kjøleteknikk.