Industrial Heat Pumps

 

Werkmiddelen

Voor mechanische warmtepompen is een hele reeks aan werkmiddelen beschikbaar. Ieder werkmiddel heeft voor- en nadelen. De keuze voor een bepaald werkmiddel is afhankelijk van diverse criteria.

Selectie criteria

Een werkmiddel wordt over het algemeen op de volgende criteria beoordeeld:

Drukken: Bij een gegeven temperatuur variëren de condensatiedrukken per werkmiddel. Bij hoge temperaturen kan het zijn dat voor bepaalde werkmiddelen de drukken te hoog oplopen voor gangbare componenten. Anderzijds kan de druk te laag worden. Bij voorkeur moeten vacuümdrukken worden vermeden. Tevens neemt bij een lage druk het slagvolume toe waardoor de investeringen voor de installatie toenemen. Onderstaande figuur geeft de verdampingstemperatuur als functie van de druk weer voor enkele veelgebruikte werkmiddelen.
P-T Diagram werkmiddelen warmtepomp
Op de download-pagina kunnen de physische eigenschappen van diverse veelgebruikte werkmiddelen worden gedownload.

Kritische temperatuur: Boven een bepaalde temperatuur bereikt een werkmiddel het transkritische gebied. In dit gebied is er geen sprake meer van een gescheiden vloeistof en gasfase.

Energie efficiëntie: De efficiëntie van een warmtepomp is mede afhankelijk van het gekozen werkmiddel.

Natuurlijke versus synthetische werkmiddelen: De meeste HFK's (synthetische werkmiddelen) hebben bij lekkage een negatieve invloed op het broeikaseffect. Dit kan oplopen tot 3.000x sterkere invloed dan CO2.

Naast bovengenoemde criteria spelen ook andere zaken mee bij de keuze van een werkmiddel, zoals investeringskosten, de installatiegrootte, brandveiligheid, vergunningverlening, etc.

Werkmiddel codes

Alle werkmiddelen hebben een code. Deze code begint met de letter "R" (Refrigerant), dat wordt opgevolgd door een getal. Aan dit getal kun je al een aantal eigenschappen afleiden:

R000-R399 Chemische koudemiddelen, waarbij de samenstelling uit de code kan worden opgemaakt. Algemene code: Rxyz = R(C-atomen-1)(H-atomen+1)(F-atomen). R134 bestaat dus uit 2x C-atoom + 4x H-atoom + 4x F-atoom ofwel C2H2F4

R400-series Zeotrope mengsels van koudemiddelen met een temperatuur glide. De verdamping vindt plaats over een temperatuur traject van enkele graden.

R500-series Azeatrope mengsels zonder temperatuur glide. De verdamping vindt bij constante temperatuur plaats.

R600-series Overige organische koudemiddelen

R700-series Anorganische koudemiddelen

Omschrijving werkmiddelen voor warmtepompen

Hieronder zijn een aantal veel gebruikte werkmiddelen voor warmtepomp opgesomd.

R134a is een synthetisch werkmiddel (HFK) dat wordt toegepast voor middelgrote tot grote warmtepompens. Door de kritische temperatuur van 100 °C kan deze niet bij hogere temperaturen worden toegepast. R134a heeft een GWP van 1.300 en een ODP van 0. Vergeleken met R407c en R410a is het rendement hoger. Echter het rendement is wel lager dan een NH3 warmtepomp. Door de lagere drukken van R134a is het benodigde slagvolume voor de compressor groter, wat resulteert in een hogere investering.

R245fa is een synthetisch werkmiddel (HFK) dat in de koudetechniek (nog) zeer beperkt wordt toegepast, soms ter vervanging van bepaalde CFK’s en HCFK’s. De kritische temperatuur van R245fa is 154 °C en is hierdoor toepasbaar voor toepassingen met hoge temperaturen. Het werkmiddel heeft een GWP van 1.030 en een ODP van 0.

R407c en R410a worden veel toegepast in kleine tot middelgrote warmtepompen. Deze werkmiddelen worden voornamelijk veel toegepast in airconditioning units die zowel kunnen koelen als verwarmen. R410a is boven een temperatuur van 71 °C superkritisch. Dit houdt in dat er boven deze temperatuur geen sprake meer is van een verschil tussen de vloeistof en gasfase. R410a kan worden toegepast bij lagere temperaturen. Vergeleken met R134a is het benodigde slagvolume van de compressor kleiner, waardoor de initiële investeringen lager zijn. Echter het rendement is ook lager.

R600a (isobutaan) is een natuurlijk werkmiddel dat onder andere gebruikt wordt bij koel- en vrieskasten. Voor een warmtepomp is dit ook een geschikt werkmiddel, met name bij temperaturen boven 80 °C, aangezien de drukken hierbij veel minder laag zijn dan bij bijvoorbeeld ammoniak. De kritische temperatuur van R600a bedraagt 134 °C. R600a is brand en explosie gevaarlijk, de installatie moet voldoen aan NPR-7600.

R600 (butaan) is een natuurlijk werkmiddel met kritische temperatuur van 152 °C en is daarmee iets breder inzetbaar dan iso-butaan. R600 is net als iso-butaan brand en explosie gevaarlijk, waardoor de installatie moet voldoen aan NPR-7600. Lees meer over de hoog temperatuur butaan warmtepomp.

R717 (Ammoniak) is een uitermate geschikt werkmiddel voor industriële warmtepomptoepassingen. Ammoniak is een zeer efficiënt koudemiddel dat eenvoudig kan worden toegepast bij temperaturen tot 80 à 90 °C. Ammoniak is een natuurlijk koudemiddel dat bij emissie – in tegenstelling tot synthetische koudemiddelen – niet bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Ammoniak is een gangbaar werkmiddel voor grootschalige industriële koelsystemen. Hierdoor is er al veel ervaring beschikbaar die ook kan worden toegepast voor warmtepompen. Ammoniak is brandbaar en giftig voor de huid en slijmvliezen. Echter door de sterke geur worden de kleinste lekkages in een vroeg stadium opgemerkt. De installatie moet voldoen aan PGS-13. Lees meer over de ammoniak warmtepomp.

R744 (CO2) is ook een natuurlijk werkmiddel. Het wordt veel gebruikt bij koel- en vriesinstallaties. Bij koelinstallaties wordt het gebruikt in combinatie met ammoniak compressoren om de ammoniak inhoud van het systeem te verkleinen. Bij vriestoepassing met lage temperaturen kan een systeem uitgevoerd worden met CO2 compressoren in combinatie met ammoniak.
Bij CO2 is 31°C de kritische temperatuur. Dit houdt in dat er boven deze temperatuur geen sprake meer is van een verschil tussen de vloeistof en gasfase. Dit houdt onder andere in dat de condensatie niet plaats vindt bij een constante temperatuur, maar over een lang temperatuurtraject. Daarom is deze warmtepomp alleen geschikt voor het verwarmen van een medium met een lang temperatuur traject zoals het opwarmen van water. Er zijn warmtepompen die werken boven deze temperatuur met transkritisch CO2.

R718 (Water) kan ook worden toegepast als werkmiddel. Voordelen van water zijn dat het eenvoudig verkrijgbaar is en bij emissie geen schade aan het milieu toebrengt. Water is alleen zinvol bij hogere temperaturen (>100°C) waar de druk bij andere koudemiddelen te hoog oploopt. Een groot nadeel is echter dat water in gasfase een zeer lage dichtheid heeft, waardoor relatief veel compressorcapaciteit benodigd is.

Werkmiddelen

Lees meer