Analyse einer industriellen CO2-Kälteanlage mit Ejektor
Der Einsatz von Ejektoren in industriellen CO2-Kälteanlagen mit einem hohen Teillastanteil ist in der Literatur noch nicht umfassend untersucht. Daraus leitet sich das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit ab. Dies ist die Analyse der erreichbaren Energieeffizienzsteigerung von industriellen CO2-Kälteanlagen mit einem hohen Teillastanteil durch den Einsatz von Ejektoren. Die in dieser Arbeit verfolgte Lösungsidee ist der Einsatz mehrerer Ejektoren, zwischen denen im Betrieb umgeschaltet werden kann. Es wird am Beispiel einer ausgeführten industriellen CO2-Kälteanlage zur Luftkühlung gezeigt, wie die Auswahl von optimalen Ejektorgrößen erfolgen kann. Die Kälteanlage wird zunächst modelliert und in einem ersten Schritt optimiert.
Auf Basis eines vorhandenen Ejektormodells wird ein parameterlineares Kennlinienmodell für Ejektoren erstellt, welches eine geringere Anzahl an Parametern mit geringeren Korrelationen besitzt als das ursprüngliche Ejektormodell. Mit Hilfe dieses Modells werden simulativ optimale Ejektoren für die analysierte Kälteanlage ausgewählt.
Mit vier Ejektoren unterschiedlicher Größe wird die beste Reduktion des Energieverbrauchs über ein Jahr von 6,9% im Vergleich zur optimierten Kälteanlage ohne Ejektoren erreicht. Bei drei Ejektoren liegt diese bei 6,1 %.
Zwei Ejektoren, welche zu einem Kombibetrieb zusammengeschaltet werden, stellen für die untersuchte Kälteanlage die minimale Anzahl an Ejektoren dar, wobei eine Verbesserung des Energieverbrauchs von 6% erreicht wird.
Um die Sensitivität des JEV der Kälteanlage bezüglich der Ejektoreffizienz darzustellen, wird die Ejektoreffizienz der zuvor berechneten Zusammenstellungen von Ejektoren, welche bei maximal 24%lag, um 25%erhöht. Dadurch wird der Jahresenergieverbrauch noch einmal um bis zu 1,4 Prozentpunkte verringert.
Abschließend wird die untersuchte Kälteanlage simulativ mit einem Flash-Gas-Bypass ausgestattet und mit der Kälteanlage verglichen, welche vier Ejektoren mit der optimalen Größe besitzt. Die Kälteanlagen mit Ejektoren liefert in den untersuchten Betriebspunkten eine um bis zu 17,5% höhere Leistungszahl.
The use of ejectors in industrial CO2 chillers operating a high percentage of time in part load is not yet fully investigated in the literature. That leads to the main goal of this work, the analysis of possible gains of energy efficiency by the use of ejectors for chillers with high part load share. To meet the challenge of a high share of part load operation this work suggests switching between several ejectors with different sizes.
This work shows, using the example of a real industrial chiller with CO2 as refrigerant which is used to cool air, how to optimally choose ejectors. To achieve high efficiencyciency improvements with ejectors, their sizes need to be chosen optimally according to the occurring part loads of the chiller.
A model of the chiller for system simulations is created, validated with measurement data and optimized in respect of superheating and high pressure.
Built on an existing ejector model a new ejector model which is linear in parameters is developed. This new ejector model has a lower number of parameters and the correlations of these parameters is lower than in the base model. The optimal choice of ejector driving nozzle diameter is done for chillers with one and up to four ejectors. In each configuration only one ejector is used at a time.
The results show that four ejectors lead to the highest reduction on energy consumption of 6,9% compared to the optimized system. With three ejectors a reduction of energy consumption of 6,1% can be reached. Switching between two ejectors lead to reduction of energy consumption of 3,4% which is lower compared to using the valve mode all year. Using two ejectors also in combination so that three effective driving nozzle areas can be used, leads to a reduction of energy consumption of 6 %.
The sensitivity of the energy consumption on ejector efficiency is analysed by manually improving the efficiencies simulated before by 25 %. Finally a comparison of a chiller with four ejectors with a chiller with flash-gas-bypass is conducted. The chiller with four ejectors has a better performance in all analysed boundary conditions compared to the chiller with flash-gas-bypass.
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