Industrial Heat Pumps

 

Verwarming van proceswater

In met name de voedingsmiddelenindustrie worden vaak koelinstallaties gebruikt voor het koelen van processen en gebouwen. Tevens is er veel warm water nodig voor het proces en voor schoonmaak. Uit de koelinstallatie komen diverse restwarmtebronnen. De meeste warmte is beschikbaar bij een temperatuur van 25 … 30 °C. Door middel van een add-on warmtepomp kan deze restwarmte worden opgewaardeerd naar een hogere temperatuur zodat water kan worden verwarmd tot bijvoorbeeld 65 °C.

De add-on warmtepomp

add-on heat pump NLDe figuur hiernaast geeft een industriele koelinstallatie weer, waarop een add-on warmtepomp is geplaatst. Meer informatie over een industriele koelinstallatie is onder aan deze pagina te vinden. De add-on warmtepomp is door middel van twee leidingen aan de koelinstallatie verbonden. De compressor van de add-on warmtepomp staat in serie met de compressor van de koelinstallatie. Hierdoor wordt de druk van de persgassen uit de koelcompressor extra verhoogd, waardoor de condensatietemperatuur verder toeneemt tot bijvoorbeeld 70 °C. De hogedruk persgassen uit de warmtepompcompressor stromen door de condensor en geven hier warmte af aan het te verwarmen medium, bijvoorbeeld schoonmaakwater. Bij een condensatietemperatuur van 70 °C kan het schoonmaakwater tot 65 °C à 70 °C worden verwarmd. Door warmteafgifte aan het water zal het koudemiddel condenseren. Het gecondenseerde koudemiddel uit de condensor wordt vervolgens in druk verlaagd en teruggevoerd naar de koelinstallatie.

De persgassen die uit de koelinstallatie komen, hebben een condensatietemperatuur van 25…30 °C, echter zijn oververhit tot 60 à 100 °C. Deze oververhitting wordt weg gekoeld met behulp van een zogenaamde intercooler, voordat het koudemiddel verder wordt gecomprimeerd. Dit koelen gebeurt door een gedeelte van het vloeibare koudemiddel uit de condensor van de warmtepomp toe te voeren aan de persgassen. De intercooler zorgt er voor dat de compressor van de warmtepomp efficiënter wordt en voorkomt te hoge temperaturen aan de uitlaat van de warmtepompcompressor. Te hoge temperaturen zorgen namelijk voor afbraak van de compressorolie.

De capaciteit van de warmtepompcompressor wordt geregeld op basis van de warmtevraag van het water dat door de condensor stroomt. Dit betekent dat de capaciteit - en daarmee de hoeveelheid persgassen die door de warmtepompcompressor worden aangezogen - kan varieren. De condensor uit de koelinstallatie zal er voor zorgen dat de resterende persgassen worden gecondenseerd. Hierdoor wordt alleen de benodigde hoeveelheid restwarmte naar een hoger temperatuurniveau gebracht.

De koelinstallatie

industrial refrigeration system NLIn de figuur hiernaast is een veelvoorkomende industriële koelinstallatie weergegeven. In de vloeistofafscheider bevindt zich zowel vloeibaar als gasvormig koudemiddel. De koudemiddel vloeistof wordt met behulp van een pomp over de verdampers gecirculeerd. Het koudemiddel heeft een lagere temperatuur dan het te koelen proces, waardoor het koudemiddel in de verdampers warmte opnemen en (gedeeltelijk) verdampt. Het vloeistof- gasmengsel dat hierbij ontstaat, wordt terug gevoerd naar de vloeistofafscheider. Om de vloeistofafscheider op de gewenste druk te behouden, wordt gas afgezogen door de compressor. Deze comprimeert het koudemiddel tot een hogere druk, waardoor het kookpunt stijgt. Door het hogere kookpunt van deze zogenaamde persgassen kan de warmte worden afgevoerd aan de buitenlucht. Deze warmteafgifte vindt plaats in de condensor van de koelinstallatie. Door warmteafgifte zal het koudemiddel condenseren. Het gecondenseerde (vloeibare) koudemiddel wordt vervolgens in druk verlaagd en teruggevoerd naar de vloeistofafscheider. Vanuit hier kan het weer over de verdampers gepompt worden. De hoeveelheid restwarmte die in de condensor vrijkomt is vrijwel gelijk aan de warmte die in de verdampers aan het te koelen proces is onttrokken plus de elektrische energie die in de koelcompressor is gestopt. Over het algemeen heeft de restwarmte uit de condensor een te lage temperatuur om direct te gebruiken. Door toepassing van een add-on warmtepomp kan de restwarmte op een efficiënte manier naar een hogere temperatuur worden gebracht, waardoor deze wel nuttig kan worden ingezet.

Restwarmte uit een koelinstallatie

In een koel- of vriesinstallatie zijn diverse restwarmtebronnen beschikbaar. Deze worden hieronder beschreven.

Warmte uit de persgassen
De persgassen aan de uitlaat van een koelcompressor bevatten een grote hoeveelheid warmte. Deze warmte zit zowel in de oververhitting van de persgassen als in de condensatiewarmte.

Oververhitting
De hoge druk gassen verlaten de compressor in oververhitte toestand. De temperatuur van de persgassen bedraagt bij schroefcompressoren 65 tot 80 °C en bij zuigercompressoren 90 tot 120 °C. De oververhitting bevat bij schroefcompressoren ongeveer 10% van de totale warmte in het koudemiddel. De overige 90% bevindt zich in de vorm van condensatiewarmte in de persgassen. Bij zuigercompressoren is deze verhouding ongeveer 15% / 85%.

Condensatiewarmte
In de condensor van de koelinstallatie wordt eerst de oververhitting weg gekoeld, tot de condensatietemperatuur wordt bereikt. Vervolgens zal het koudemiddel condenseren bij een gelijkblijvende temperatuur. De temperatuur waarop het koudemiddel condenseert hangt af van diverse factoren en zal gedurende het jaar variëren tussen 20 en 35 °C.

Warmte uit de oliekoeling
Bij schroefcompressoren wordt compressorolie door middel van een olieafscheider uit de persgassen gehaald. Deze olie wordt teruggevoerd naar de compressoren. Echter, voordat deze wordt teruggevoerd, wordt de olie gekoeld. De olie heeft doorgaans een temperatuur van 60 tot 75 °C en wordt in de oliekoeler terug gekoeld tot ongeveer 50 °C. De warmte die in de olie wordt weg gekoeld kan 30 tot 60% van het opgenomen elektrisch vermogen van de compressor bedragen. Bij zuigercompressoren wordt door de lage olie-uitstoot vaak geen oliekoeler en soms zelfs geen olieafscheider toegepast.

Warmte uit de cilinderkopkoeling
Bij de compressie van een koudemiddel wordt warmte ontwikkeld, waardoor de cilinders en cilinderkoppen van een zuigercompressor warm zullen worden. Dit gaat ten koste van de levensduur van de compressor. Tevens bestaat de kans dat de olie in het koudemiddel afbreekt als de temperaturen te hoog oplopen. In sommige gevallen is natuurlijke convectie onvoldoende om de compressor op een acceptabele temperatuur te houden en worden zuigercompressoren voorzien van cilinderkopkoeling. Hierbij wordt water door de koppen van de cilinders gepompt. Door cilinderkopkoeling zal de persgastemperatuur zo’n 15 °C lager liggen dan bij compressoren zonder koeling. De warmte die door het koelwater wordt afgevoerd bedraagt 1 à 2% van het opgenomen elektrisch vermogen. Het koelwater dient een temperatuur hoger dan de condensatietemperatuur te hebben, om condensatie in de cilinders te voorkomen en mag de compressoren met een temperatuur van maximaal 45 à 50 °C verlaten.

In onderstaande tabel zijn de restwarmtebronnen nogmaals opgesomd:
HP_restwarmtebronnen_koelinstallatie

Benutten van de warmte

Om de restwarmte uit de koelinstallatie te kunnen benutten, zijn een aantal zaken van belang:

  • De temperatuur van de restwarmte dient in overeenstemming te zijn met de temperatuur van het te verwarmen proces of gebouw. Als het gewenste temperatuurniveau hoger is dan de temperatuur van de restwarmte, kan overwogen worden om de temperatuur van de restwarmte te verhogen door middel van een (add-on) warmtepomp.
  • Het beschikbare vermogen dient in overeenstemming te zijn met het benodigde vermogen. Het is uiteraard ook mogelijk om een proces of gebouw gedeeltelijk met restwarmte te verwarmen.
  • Er dient gelijktijdigheid te zijn tussen de beschikbaarheid van restwarmte en de vraag naar warmte. Door het toepassen van een buffer kan dit worden ondervangen.

Toepassingen

Enkele veel voorkomende toepassingen voor de benutting van restwarmte uit de koelinstallatie zijn hieronder weergegeven:

  • Ruimteverwarming van kantoren;
  • Vloerverwarming van vrieshuizen;
  • Verwarmen van proceswater;
  • Verwarmen van luchtbehandelingskasten;
  • Voorverwarmen van ketelvoedingswater;
  • Etc.

Lees meer