pentapropeffsysexpand.se/.../10/...miljövänlig-bergvärmepump-klas-andersson.… · 2017-10-20...

2017-10-20 PentaProp Kyl&VP-dagen 1

PentaProp

Bästa teknologi för miljövänlig bergvärmepump

Kyl och Värmepumpdagen, Stockholm, 2017-10-20


PartnerKTH, EnergiteknikProfessor Björn Palm

Granryd ConsultingProfessor emeritus Eric Granryd

Medfinansiärer

Projektledare, UtförareKlas Andersson EngineeringKlas Andersson


Mål

Cost: x Cost: x-y?


ResultatEfter första året - Halvvägs

> 5 kW värme

< 100 gram R290

COP1 < 5

Rent vatten som köldbärare


Nytt Mål

10 kW värme

< 150 gram R290


SlutresultatEfter två år

10 kW värme

100 gram R290

COP1 ~ 5 vid 5kW

Rent vatten som köldbärareFrysrisk!


Hur• Minimala inre volymer• Rimligt tryckfall


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


PentaPropAirec / Granryd

Små portarNytt mönster - Underkylare

spalt < 1mmAsymmetrisk

Befintligtillverkningsteknik

Olika mönster för kondensor och förångare


Ytterligare potential finns

5kW 10kW • Fler plattor i kondensorn• Samma förångare


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


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


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


Torkfilter

5 kW 10 kW


Expansionsventil – Kontroll

1 a b c d e f

30mm

3 Sanhua ventiler 8 kombinationer

5 kW 10 kW


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


0

10

20

30

40

50

60

gram

Köldmediefördelning - 10 kW Beräknad fördelning

PentaProp 100g

Tänkt system 148g


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


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


95 gram Propan – 10kW

2520 4275 5535rpm 10352520 675


Coaxial collektorStandard U-collektor

Coaxial kollektor

Energy storage2m3 water(10 dm3/m)

Insulation


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


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


0

10

20

30

40

50

60

70

gram

För brått i Vladivostok?15-? kW

Tänkt system 150g

Vision 1


Vision 2Nästa Projekt

Lågprisel nattetidSolceller

VindUttjänta elbilsbatterierfår ett andra liv

PentaProp 24kW kyla <150g R290

PentaProp 1

DC källa to DC last

http://www.electrolux.se/remote.jpg.ashx?urlb64=aHR0cDovL2VtZWEuZWxlY3Ryb2x1eG1lZGlhLmNvbS9hc3NldHMvZGVyaXZhdGVzLzExLzAwMS8zNTIvNTMxLyR2Mi9ERVZfRVBTX0xhcmdlX1BTRUVOSDEyMFAwMDAwMDIuanBn&hmac=IvdZKiRZFb8&width=2000&height=790&format=jpg&origin=T1


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


OLJAMäta mättnadstemperatur

EMKARATE RL 22H POE- Esterolja med propanRef: CTI

Benling

TKT

Panasonic

King LeoDenso


Bitzer

http://www.thermokingtec.net/electrical-compressor/ywxd18.html

Typ 1 - 2015

Korrosion

FyllnadsmängdFörångare: 28gKondensor: 96g


Granryd /Airec - 2017?

δ < 1mm

<0,3 liter/m2


Pressing tool – Experimental platesSoldering testPressure strengthModels 2-phase sideCFD water sidePort design


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)



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


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]


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]


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


Testrigg version 0


Filter/DryerSuction hex.

Sight tube


Testrigg 5kW


Charge < 150 gram

0,22 / 0,46 kg/s


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


~ 0,5 liter/m2

Kondensor: Vätskepool

Förångare: Annulärt flöde? Väts

ka

Vätska

Gas

Förlorad yta

Vattensidan: Igensättning?


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


Suction gas/liquid line heat exchangerηhex - Performance test set up

Klart hösten 2017

Budget 1,89 miljoner Varav 50% från Energimyndigheten


2016Nya värmeväxlareTestrigg

2017Allt på plats i testriggTest

ResultatNya värmeväxlare i en fungerande värmepump

(Presentationer, artiklar, rapport)

Genomförande


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?


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


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

pentapropeffsysexpand.se/.../10/...miljövänlig-bergvärmepump-klas-andersson.… · 2017-10-20...

Documents