Performance analysis of industrial refrigeration systems for freezing tunnels

Abstract

Eksport av frossen fisk har lenge vært og fortsetter å være en av norges toppnæringer og dermed essensiell for norsk økonomi. Nylig har økende strømpriser og et fortsatt høyt fokus på miljøvennlighet gjort energieffektivisering av fryseanlegg for sjømat høyst relevant, både for anleggseiere og befolkning i sin helhet. Historisk har innfrysningsanlegg for fisk blitt utviklet med driftsikkerhet som øverste prioritet for å minske nedetid og økonomiske tap. Følgende har energieffektivitet av slike anlegg blitt oversett og nedprioritert i stor grad. Ammoniakk har lenge vært det foretrukne kjølemediet i slike innfrysningsanlegg på bakgrunn av dets gunstige termodynamiske egenskape, samt velutviklede og driftsikre kjølekomponenter. Imidlertid har kjølemedier som karbondioksid vist seg egnet for lavtemperatur kjøling og bør derfor vurderes som et alternativ til ammoniakk. Relevansen av energieffektivisering av landbaserte innfrysningssystemer dannet grunnlaget for motivasjonen til denne undersøkelsen.

Energieffektivitetsanalysen er basert på innfrysningstunellene og det tilknyttede kjølesystemet ved Pelagia Kalvåg. Initielt ble det gjennomført temperaturmålinger på anlegget for å kartlegge lastprofilen til innfrysningen. Videre analyse ble gjennomført ved bruk av det objektorienterte modelleringsspråket Modelica og komponentbiblioteket TIL, i simuleringsmiljøet Dymola. En digital representasjon av det aktuelle systemet ble utviklet som et sammenlikningsgrunnlag og analysert med fokus på energieffektivitet. I tillegg ble fem alternative systemløsninger utviklet, analysert og sammenliknet med den installerte løsningen. De alternative løsningene var som følger: totrinns kompresjon og ekspansjon med NH3, totrinns kompresjon og ettrinns expansjon med NH3, parallellkompresjon med NH3, kaskadeløsning med NH3 og CO2, totrinns kompresjon og ekspansjon med CO2. Samtlige løsninger ble analysert ved forskjellige driftsforhold og relevante virkningsgrader for kompressorer for å gi dypere forståelse for løsningenes oppførsel. Resultatene viser flere områder med forbedringspotensiale med tanke på systemvirkningsgrad (COP), og i beste fall en økning på opptil 10,17%. Ytterligere praktise og økonomiske aspekter blir diskutert gjennom oppgaven.

Frozen fish export remains one of Norway's top industries and is crucial to the Norwegian economy. The recent spikes in electricity prices and the continued environmental focus makes energy efficiency of utmost relevance in today's fish processing industry, and of interest to both facility owners and the population as a whole. Historically, fish freezing facilities have been designed to be as robust as possible, with as little down-time as possible, to ensure year-round operation and maximized profits. In turn energy efficiency of such systems have largely been overlooked during design and operation. Ammonia has long been the sole preferred refrigerant for such systems, due to its thermodynamic properties and well developed and tested refrigeration components. However, refrigerants such as carbon dioxide have proven viability at low-temperature applications and therefore have to be considered when designing such systems. This relevance of improved efficiencies for onshore fish freezing facilities was the motivation for this work.

The analysis was based on the batch blast freezer and connected refrigeration system at Pelagia Kalvåg. Field measurements at the facility were carried out to obtain the characteristic load profile for the facility. Further energy efficiency analysis was carried out in the objective-orientated modeling language Modelica, with the use of the Dymola simulation environment and the third party TIL library. A digital representation of the system was developed and analyzed in terms of energy efficiency, as a baseline. Additionally, five alternate configurations were developed and compared with the results from the baseline configuration. The alternate configurations consisted of: a two-stage expansion and compression NH3 configuration, a two-stage compression single-stage expansion NH3 configuration, a parallel compression NH3 system, a NH3 CO2 cascade configuration and a two-stage expansion and compression CO2 configuration. All configurations were investigated at varying operating conditions and relevant compressor efficiencies to give valuable insight into facility operation. The results indicate several areas of improvements in terms of efficiencies with increases in system coefficient of performance (COP) of up to 10,17% proving possible. Additional practical and economic are also addressed through the thesis.