OPLEIDING
Install Magazine 996 – maart 2024
Betere COP voor hoge-temperatuurwarmtepompen op R600
Onderzoek van universiteit Graz naar invloedsfactoren
Om de industrie koolstofneutraal te maken, wordt er sterk ingezet op hoge-temperatuurwarmtepompen. Deze kunnen immers gebruik maken van restwarmte om op een milieuvriendelijke manier industriële proceswarmte te leveren. Manuel Verdnik en René Bieberer, onderzoekers aan de universiteit van Graz in Oostenrijk, ontwikkelden een hoge-temperatuurwarmtepomp op R600 (n-butaan) die gebruik maakt van restwarmte aan 40-60°C om afgiftetemperaturen tot 110°C te halen in subkritische en 160°C in transkritische werking.
Volgens Europese studies is er een groot potentieel in de industrie voor warmtepomptoepassingen met afgiftetemperaturen tot 200°C, vooral in de papiersector. De onderzoekers gingen na welke parameters het rendement van een warmtepomp in dit werkingsbereik konden beïnvloeden. Ze baseerden zich daarvoor op een water-water warmtepomp op het natuurlijke koelmiddel R600 (n-butaan). Dankzij de transkritische werking zijn afgiftetemperaturen tot 160°C mogelijk. Tegelijk werd er een gedetailleerd digitaal model van de proefopstelling gemaakt
De onderzoekers onderscheidden enerzijds externe parameters zoals de temperatuur van de warmtebron en de gevraagde afgiftetemperatuur en interne parameters, zoals de hoge druk en de oververhitting van het aanzuiggas. Het vermogen werd geregeld via een inverter.
Optimale werkingsdruk
Het prototype haalde een COP tussen 3,3 en 4,4 in subkritische werking tot 110°C. Met een brontemperatuur van 60°C kan men in transkritische werking een afgiftetemperatuur van 160°C halen, met een COP van 3,1. De COP is sterk afhankelijk van de werkingsparameters, zowel interne als externe. Wat de interne parameters betreft, is de optimale werkingsdruk belangrijk. Wordt daarvan afgeweken, zowel naar boven als naar onder toe, dan heeft dat meteen gevolgen voor de COP. Deze druk is afhankelijk van de temperatuur van de heat sink en van de oververhitting van het aanzuiggas aan de condensor/gaskoeler. Als men deze oververhitting verhoogt, dan stijgt de COP en wordt de optimale druk lager. Lagere brontemperaturen verlagen de COP maar hebben geen significante invloed op de optimale druk. Hogere temperaturen van de heat sink verlagen de COP en vereisen hogere drukken.
Kijken we naar de compressorsnelheid, dan werd de hoogste COP gehaald bij 1.450 t/min. Een reductie tot 1.015 t/min leidde tot een daling van het rendement met 1%. Verhoogde men de snelheid tot 2.175 t/min, dan daalde de COP met ongeveer 4%. Er was nauwelijks invloed op de optimale hoge druk.
Op basis van deze resultaten kan men de volgende regelstrategie formuleren: Het is van belang om de optimale maximumdruk te behouden, en die zeker niet laten dalen. Tevens houdt men best de temperatuur aan de zuigzijde van de condensor/gaskoeler zo hoog mogelijk, voorzover de verschillende componenten, in de eerste plaats de compressor, tegen deze temperaturen bestand zijn.
De studie werd uitgevoerd in het kader van het samenwerkingsproject Transcrit tussen TU Graz en Frigopol Kälteanlagen.
Door Alex Baumans
