Zoekresultaten verschijnen hier
sales@recupair.nl
0162434222
LinkedIn
Zoekresultaten verschijnen hier
10 mei 2019
De KNVvK hield onlangs een discussieavond onder de titel ‘CO2-transkritisch: de koudwatervrees voorbij?’. De sprekers gaven uitleg aan een technisch goed onderlegd publiek.
Bij supermarkten is CO2-koeling al goed ingevoerd, vanwege een groeiende vraag naar natuurlijke koudemiddelen en de wens tot ‘vergroening’. Maar hoe wordt CO2 opgepakt in de commerciële en industriële koeling? En wat zijn de mogelijkheden van een CO2-warmtepomp? Die vragen had de KNVvK centraal gesteld voor deze dicussie-avond.
CO2 kent als koudemiddel tal van voordelen, vooral met het oog op de ontwikkelingen rond synthetische koudemiddelen. Als voordelen worden vaak genoemd dat CO2 een ODP heeft van 0, een GWP-waarde van 1 (per definitie), het niet giftig is, en alom verkrijgbaar is tegen een relatief lage prijs. Maar het koudemiddel kent ook nadelen. Zo zijn de werkdrukken hoog tot zeer hoog en moeten er (deels) aangepaste componenten worden toegepast. Kennis over CO2-koeling is nog niet algemeen verbreid, en ook kan CO2 bij hogere concentraties schadelijk zijn voor de gezondheid (door zuurstofverdringing). Zoals elk koudemiddel kent CO2 twee bijzondere punten op het temperatuurtraject: het tripelpunt en het kritische punt. Bij het tripelpunt kunnen drie fase-toestanden van een stof samen optreden: vast, vloeibaar en gasvormig. Boven het kritische punt is er geen onderscheid te maken tussen vloeistof en gas, men spreekt dan van een fluïdum. Bij de meeste koudemiddelen liggen de temperaturen en drukken van de beide punten zover uiteen dat ze geen rol spelen in de gebruikelijke koeltechnische toepassingen. Dat is bij CO2 als koudemiddel echter anders.
Afb 1. Druk- en temperatuurdiagram van CO2. Duidelijk zijn het tripelpunt en het kritische punt aangegeven. Boven het kritische punt is er sprake van een fluïdum.
Het tripelpunt van CO2 ligt op –56,6°C bij 5,2 bar; het kritische punt is +31°C bij 73,8 bar. Wanneer druk en temperatuur beneden de waarden van het tripelpunt dalen, ontstaat er ‘droogijs’: CO2 in vaste vorm. Stijgen de druk en temperatuur boven het kritische punt, dan kan het koudemiddel niet meer condenseren (zie afbeelding 1). Aanvankelijk paste men ‘subkritische’ installaties toe. De druk en temperatuur van het koudemiddel blijven dan in het gehele circuit onder het kritische punt. Energetisch is dit minder ideaal dan een transkritisch systeem. Bij zo’n transkritisch systeem werken CO2-koelinstallaties boven het kritische punt. De condensor wordt daarbij ‘gaskoeler’ genoemd omdat er geen condensatie plaatsvindt. Het gekoelde gas treedt onder zeer hoge druk uit de gaskoeler. Via een expansieventiel daalt de druk en ontstaat er een mengsel van vloeibare en gasvormige CO2. Dit mengsel wordt opgevangen in een vat dat als vloeistofafscheider dient. Het gasvormige deel wordt direct teruggevoerd naar de zuigzijde van de compressor. De vloeibare CO2 gaat via een expansieventiel de verdamper in en onttrekt daar warmte aan de omgeving. Ten slotte gaat het gasvormige CO2 vanuit de verdamper naar de zuigzijde van de compressor, en de kringloop is gesloten.
De eerste spreker, Patrick Clardy, field system engineer Food Retail bij Danfoss Nederland, ging in op de ontwikkeling van transkritische koeling. Hij sprak over transkritische boosterinstallaties, parallelle compressiesystemen, installaties met gasejector en ten slotte over de jongste ontwikkeling, installaties met vloeistofejector. De transkritische boosterinstallatie is het meest gebruikte CO2-systeem op dit moment. De markt heeft volgens Clardy dit systeem als standaard gekozen. Het verschil met het eerder beschreven systeem is dat de vloeistof na de afscheider verdeeld wordt over twee temperatuurbereiken. Enerzijds is dat het middentemperatuurbereik (MT), waarbij de CO2 via een expansieventiel en de MT-koeler gasvormig teruggevoerd wordt naar de zuigzijde van de compressor. Het andere bereik is het laagtemperatuurbereik (LT). Hier gaat de vloeistof na het passeren van een expansieventiel en de LT-koeler naar een extra compressor (booster) in het LT-circuit, die de druk opvoert van 13-16 bar tot de zuigdruk van de hoofdcompressoren (25-30 bar) en het dan gasvormige CO2 toevoegt aan de andere twee stromen (afbeelding 2). In gematigde klimaten is dit energetisch gunstig. In warmere klimaten worden echter steeds grotere slagvolumes vereist, waardoor de COP snel terugloopt tot waarden onder die van installaties met bijvoorbeeld R404A.
Afb 2. Principeschema transkritische CO2-boosterkoelinstallatie met parallele compressie
De tweede generatie transkritische boostersystemen maakt gebruik van een extra compressor, parallel aan de hoofdcompressor. Deze perst het gas, direct afkomstig van de vloeistofafscheider, samen tot de druk in de gaskoeler (afbeelding 2). “Parallelle compressie is de eerste stap in de ontwikkeling om CO2 naar een warmer klimaat te brengen”, aldus Clardy. “Parallelle compressie geeft een flinke COP-verbetering in warme klimaten, en daarnaast een reductie in het slagvolume van de compressoren, dus lagere investeringskosten”. De compressorformaten zijn kleiner en ‘groeien’ niet zo snel in warme klimaten. Dit systeem voldoet voor systemen van 100-150 kW en hoger, en wordt voornamelijk in Zuid-Europa en warmere regio’s toegepast.
Een ejector voert een stof met een lagere druk naar een hogedrukcircuit, door middel van een stof met een hogere druk en snelheid. Ejectors verplaatsen gas van de MT-zuigzijde naar de parallelle compressor (afbeelding 3). In sommige gevallen kan al het gas van de MT naar de parallelle compressoren worden verplaatst (bij hoge omgevingstemperatuur, of 100 procent warmteterugwinning). Clardy toonde aan dat het systeem, dat nu ongeveer 2 tot 3 jaar op de markt is, voor een lager energieverbruik in vrijwel alle klimaten zorgt.
Afb. 3. Principeschema transkritische booster CO2-koelinstallatie met parallelle compressie en gasejector.
De nieuwste ontwikkeling is de transkritische installie met vloeistofejectie. Vloeistofejectorsystemen laten een natte MT-verdamper toe. De besparingen komen niet van de parallelle compressor of de ejector, maar van de hogere zuigdruk. De ejector zal in dit geval een pomp vervangen. De besparing van de vloeistofejector kan aan de besparing van de gasejector worden toegevoegd.
Bart van der Wekken van Koning Koudetechniek noemde als volgende spreker eerst de nadelen van een transkritisch systeem: hoge drukken, een lage kritische temperatuur en technologisch complex. Direct daarop ging hij op de vele voordelen ervan. Zo noemde hij de gunstige veiligheidsaspecten van CO2 ten opzichte van ammoniak en koolwaterstoffen. En door de hoge drukken is laag condenseren mogelijk, wat gunstig is voor de efficiëntie. Er zijn kleine en grote installaties mogelijk (van enkele kilowatts tot ca. 600 kW), en ook zijn er veel mogelijkheden met verschillende temperatuurniveaus. De lage kritische temperatuur is gunstig voor het pinch point in de gaskoeler. ‘Pinch point’ wil zeggen: het gebied met de dichtste benadering tussen warme en koude temperatuurcurven in een warmtewisselaar. Speciale aandacht gaf Van der Wekken daarom aan de mogelijkheid tot warmteterugwinning via de gaskoeler van een transkritisch CO2-systeem. De lage kritische temperatuur biedt betere mogelijkheden tot warmteterugwinning. De delta-T tussen de gaskoeleruittrede- en de luchtaanzuigtemperatuur is 2 K, en dat heeft een gunstige invloed op de lengte van de gaskoeler. Bij een WTW-installatie is de warmtepompfunctie leidend. Ook is het systeem geschikt voor airconditioning. Aan het einde van zijn verhandeling gaf Van der Wekken zijn toekomstvisie:
Ertan Törün van IBK gaf een presentatie over de integratie van verwarming en koude-opwekking met CO2. Hij lichtte dit toe aan de hand van een groot project bij een vleesverwerkend bedrijf. Törün besprak hierbij het Programma van Eisen voor dit project, zoals met betrekking tot de ruimtetemperaturen (–20°C + 1°C <- > + 15°C ), temperaturen van het ijswater (+1°C) en tapwater (+60°C), de temperatuur van schoonmaakwater, het geluidsniveau, ventilatie, schone ruimtes, en verwarmen en koelen. Dat alles conform BREEAM-condities, en ook moest er sprake zijn van een gasloze warmteopwekking.
Vervolgens illustreerde hij de randvoorwaarden die in het geding waren: de voedselveiligheid (geen gevaar voor volksgezondheid), bedrijfszekerheid van de productie, ARBO en de duurzaamheidseisen (BREEAM) waarom is gekozen voor een natuurlijk koudemiddel. De eis van gasloze verwarming betekende dat het koelen en verwarmen door middel van elektriciteit moet gebeuren. Törün ging tot slot in op een aantal kenmerken van het project, zoals de warmtewinning uit perslucht, uit de retourlucht van het droogproces, en en het hergebruik van warmte uit de koelinstallatie. Verder besprak hij het gebruik van een energiebuffer (sprinklertank) ten behoeve van de koude- en warmtebalans, waarvoor ook de conditionering van de technische zolder dient. Bij het drogen van de ruimten worden nozzles toegepast, vanwege het geringere luchtgebruik, de betere vochtopname en de snellere droging.
