Industrial Heat Pumps

 

Hoog temperatuur butaan warmtepomp

Met het werkmiddel butaan kunnen warmtepompen op veel hogere temperaturen worden ingezet dan met bijvoorbeeld ammoniak. Om een goed rendement met een butaan warmtepomp te krijgen, is het toepassen van een interkoeler en/of vloeistof onderkoeler noodzakelijk. Op deze pagina wordt toegelicht hoe een butaan warmtepomp op een efficiente manier kan worden ingezet. Hierbij is uitgegaan van de volgende condities:

Standaard cyclus

In de standaard cyclus bestaat de warmtepomp uit een compressor, condensor, expansie-orgaan en verdamper. Dit is in onderstaand schema en log-pH diagram weergegeven bij een condensatietemperatuur van 140 °C en een verdampingstemperatuur van 90 °C. In het schema zijn de volgende punten weergegeven:

  1. Uitlaat verdamper / inlaat compressor (lage druk gas)
  2. Uitlaat compressor / inlaat condensor (hoge druk gas)
  3. Uitlaat condensor / inlaat expansie-orgaan (hoge druk vloeistof)
  4. Uitlaat expansie / inlaat verdamper (lage druk vloeistof/gas mengsel)

Aandachtspunt bij de compressie van butaan is de vorming van vloeistofdruppels tijdens de compressie. Dit is goed zichtbaar in het log-pH diagram, waarbij de compressielijn nagenoeg evenwijdig aan het coëxistentiegebied loopt. Er is in de log-pH diagram daarom uitgegaan van enkele graden oververhitting van het zuiggas, punt 1 ligt iets rechts van de verzadigingslijn. Hierdoor wordt voorkomen dat vloeistofdruppels ontstaan tijdens de compressie. Bij een hoger compressorrendement, zal de compressielijn stijler verlopen, waardoor de kans op de vorming van vloeistofdruppels tijdens de compressie toeneemt, hierbij is meer oververhitting van het zuiggas noodzakelijk.
Standaard cyclus butaan warmtepomp

De COPH van de warmtepomp wordt berekend met de verhouding tussen de nuttige energie (enthalpieverschil punt 2-3) en de compressorenergie (enthalpieverschil punt 1-2). Rekening houdend met een motorrendement bedraagt de COPH van deze cyclus 3,3. Dit is relatief laag en komt hoofdzakelijk doordat de condensatielijn (2-3) zich boven in de curve op het log-Ph diagram bevindt. Hierdoor is de hoeveelheid nuttige warmte relatief klein ten opzichte van de benodigde compressorenergie. Doordat de curve in het log-Ph diagram vrij veel naar rechts helt, ontstaat bij de expansie een grote hoeveelheid flashgas, in dit geval bijna 60% van het geëxpandeerde koudemiddel. Dit betekent dat het gecondenseerde koudemiddel uit de condensor nog veel warmte bevat. Deze warmte kan door middel van een interkoeler of een onderkoeler worden benut.

Butaan warmtepomp met interkoeler

Door het toepassen van een interkoeler kan de warmte uit de gecondenseerde vloeistof worden benut om de zuiggassen te oververhitten. Hierdoor ontstaat bij de expansie minder flashgas. Daarnaast ontstaan hetere persgassen aan de uitlaat van de compressor, waardoor de hoeveelheid nuttige warmte in de condensor toeneemt en de COPH hoger wordt. In onderstaand schema en log-pH diagram is de cyclus van de butaan warmtepomp met interkoeler weergegeven. Dit schema bevat de volgende punten:

  1. Uitlaat interkoeler / inlaat compressor (lage druk gas, oververhit)
  2. Uitlaat compressor / inlaat condensor (hoge druk gas, oververhit)
  3. Uitlaat condensor / inlaat interkoeler (hoge druk vloeistof)
  4. Uitlaat interkoeler / inlaat expansie-orgaan (hoge druk vloeistof, onderkoeld)
  5. Uitlaat expansie / inlaat verdamper (lage druk vloeistof/gas mengsel)
  6. Uitlaat verdamper / inlaat interkoeler (lage druk gas, verzadigd)

Butaan warmtepomp met interkoeler
Bij 30 °C oververhitting van de zuiggassen tot 120 °C stijgt de COPH van 3,3 tot 4,0, omdat de nuttige warmte (enthalpieverschil 2-4) aanzienlijk toeneemt, terwijl de compressorenergie (enthalpieverschil 1-2) nagenoeg gelijk blijft. De vloeistof uit de condensor koelt hierbij af van 140 °C tot 122 °C. De temperatuur van de persgassen aan de uittrede van de compressor wordt hierbij circa 164 °C. Deze hoge temperatuur aan de in- en uitlaat van de compressor zorgt voor een grote thermische belasting van de compressor. Tevens verliezen conventionele compressoroliën hun smerende eigenschappen bij deze temperaturen en breken af, met beschadiging van de compressor tot gevolg. Het ontwerp van de compressor en het toepassen van de geschikte olie is daarom een belangrijk aandachtspunt bij deze toepassing.

Butaan warmtepomp met vloeistofonderkoeler

Een andere mogelijkheid om het rendement van de warmtepomp te verbeteren is door de warmte in de gecondenseerde vloeistof direct nuttig te gebruiken door middel van een vloeistof onderkoeler. De cyclus met vloeistof onderkoeler is weergegeven in onderstaand schema en log-pH diagram. Dit schema bevat de volgende punten:

  1. Uitlaat verdamper / inlaat compressor (lage druk gas)
  2. Uitlaat compressor / inlaat condensor (hoge druk gas)
  3. Uitlaat condensor / inlaat vloeistof onderkoeler (hoge druk vloeistof)
  4. Uitlaat vloeistof onderkoeler / inlaat expansie-orgaan (hoge druk vloeistof, onderkoeld)
  5. Uitlaat expansie / inlaat verdamper (lage druk vloeistof/gas mengsel)

Butaan warmtepomp met onderkoeler
Bij 20 °C vloeistofonderkoeling van 140 °C tot 120 °C stijgt de COPH van 3,3 tot 5,0. Hierbij komt voor elke kW condensatiewarmte 0,49 kW warmte uit de vloeistofonderkoeler vrij. Bij het bepalen van de COPH is ervan uitgegaan dat alle warmte uit de vloeistofonderkoeler nuttig kan worden gebruikt. Tevens is uitgegaan van een kleine oververhitting van het zuiggas om druppelvorming in de compressor te voorkomen. Het is mogelijk om de butaan vloeistof nog verder te onderkoelen, maar deze warmte is niet altijd nuttig toepasbaar. De hoeveelheid warmte die nuttig uit de onderkoeler kan worden benut, hangt sterk af van de toepassing waarvoor de warmtepomp wordt ingezet. Door het onderkoelen van de vloeistof neemt de hoeveelheid flashgas sterk af.

Butaan warmtepomp met interkoeler en onderkoeler

Door een combinatie van een vloeistof onderkoeler en een interkoeler kan een optimaal rendement worden bereikt. Met name voor situaties waarbij niet alle warmte uit de onderkoeler kan worden gebruikt, kan de resterende vloeistofwarmte in de interkoeler worden benut. De cyclus met vloeistof onderkoeler en interkoeler is weergegeven in onderstaand schema en log-pH diagram. Dit schema bevat de volgende punten:

  1. Uitlaat interkoeler / inlaat compressor (lage druk gas, oververhit)
  2. Uitlaat compressor / inlaat condensor (hoge druk gas, oververhit)
  3. Uitlaat condensor / inlaat vloeistof onderkoeler (hoge druk vloeistof)
  4. Uitlaat vloeistof onderkoeler / inlaat interkoeler (hoge druk vloeistof, onderkoeld)
  5. Uitlaat interkoeler / inlaat expansie-orgaan (hoge druk vloeistof, onderkoeld)
  6. Uitlaat expansie / inlaat verdamper (lage druk vloeistof/gas mengsel)
  7. Uitlaat verdamper / inlaat interkoeler (lage druk gas, verzadigd)

Butaan warmtepomp met interkoeler en onderkoeler
Bij 20 °C onderkoeling tot 120 °C in de vloeistof onderkoeler en 25 °C oververhitting tot 115 °C in de interkoeler wordt de COPH 5,3. Hierbij valt op dat er vrijwel geen flashgas meer ontstaat bij de expansie. Dit betekent dat bijna alle warmte in de butaan vloeistof is benut in de onderkoeler en interkoeler.

Hieruit volgt dat de COPH van een butaan warmtepomp aanzienlijk kan worden verbeterd door het toepassen van een vloeistofonderkoeler en een interkoeler. Een vloeistofonderkoeler heeft meer effect op de efficiëntie dan de interkoeler, echter de warmte die in de onderkoeler vrijkomt is niet altijd nuttig toepasbaar. Een interkoeler is daarom een goede aanvulling voor een efficiënte systeemopzet. Tevens is een interkoeler noodzakelijk voor oververhitting van de zuiggassen ter bescherming van de compressor.

Vloeistofafscheider

Door de grote hoeveelheid flashgas die in het systeem kan ontstaan, met name als de warmte uit de vloeistofonderkoeler niet kan worden benut, is het raadzaam om een vloeistofafscheider toe te passen. Hierdoor worden vloeistof en gas na expansie gescheiden en wordt alleen het vloeistofdeel naar de verdamper gevoerd. Als de warmtepomp dicht bij de restwarmtebron wordt geplaatst, kan gebruik worden gemaakt van natuurlijke circulatie over de verdamper. Hierbij wordt de vloeistofafscheider hoger geplaatst dan de verdamper. Deze systeemopzet is in onderstaand schema en log-pH diagram weergegeven. Het schema bevat de volgende punten:

  1. Uitlaat interkoeler / inlaat compressor (lage druk gas, oververhit)
  2. Uitlaat compressor / inlaat condensor (hoge druk gas, oververhit)
  3. Uitlaat condensor / inlaat vloeistof onderkoeler (hoge druk vloeistof)
  4. Uitlaat vloeistof onderkoeler / inlaat interkoeler (hoge druk vloeistof, onderkoeld)
  5. Uitlaat interkoeler / inlaat expansie-orgaan (hoge druk vloeistof, onderkoeld)
  6. Uitlaat expansie / inlaat vloeistofafscheider (lage druk vloeistof/gas mengsel)
  7. Onderkant vloeistofafscheider / inlaat verdamper (lage druk vloeistof)
  8. Uitlaat verdamper / bovenzijde vloeistofafscheider / inlaat interkoeler (lage druk gas, verzadigd)

Butaan warmtepomp met vloeistofafscheider
Het toepassen van een vloeistofafscheider heeft in principe geen invloed op het rendement van de warmtepomp, wel is hierdoor een compactere constructie van de verdamper mogelijk, omdat het flashgas niet door de verdamper hoeft te stromen.

Lees meer