Industrial Heat Pumps

 

De werking van een warmtepomp

Het werkingsprincipe

Het werkingsprincipeEen warmtepomp waardeert laagwaardige restwarmte op tot hoogwaardige warmte. De hiervoor meest toegepaste techniek is de mechanische warmtepomp. De werking van een mechanische warmtepomp is gebaseerd op het comprimeren en expanderen van een werkmiddel. Dit werkmiddel stroomt door de vier hoofdcomponenten waaruit een warmtepomp bestaat, namelijk de verdamper, compressor, condensor en het expansieventiel. De drijvende kracht is een compressor waarmee de druk van het werkmiddel wordt verhoogd. Het werkmiddel functioneert als een transportmiddel dat onttrokken warmte uit een laagwaardige reststroom verplaatst om elders nuttig in te zetten. Met de elektrische energie benodigd voor het aandrijven van de compressor wordt ook nuttige warmte geproduceerd. Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de COP (coefficient of performance). Dit is de verhouding tussen de warmte die nuttig kan worden ingezet en de benodigde elektriciteit om de warmtepomp aan te drijven.

De thermodynamische cyclus

De thermodynamische cyclusDe warmtepomp is gebaseerd op de fysische eigenschap dat bij een stijgende druk het kookpunt van een vloeistof stijgt. Door de druk te veranderen kan een medium bij een lage druk verdampt worden en bij een hoge druk condenseren. De grafiek hiernaast geeft dit principe weer. De zwarte lijn geeft de relatie weer tussen de druk en het kookpunt voor ammoniak. Bij lage druk en temperatuur wordt de ammoniak verdampt. De benodigde energie wordt geleverd door de restwarmte. Met de compressor wordt het ammoniak gas in druk verhoogd. Op hoge druk en temperatuur condenseert het gas in de condensor. Bij de condensatie komt warmte vrij. Deze warmte wordt nuttig ingezet. De vloeistof die gevormd wordt in de condensor wordt in het expansieventiel in druk verlaagd en stroomt vervolgens naar de verdamper, waar de cyclus weer opnieuw begint. Lees meer
Cyclus ammoniak warmtepomp
Cyclus butaan warmtepomp

Werkmiddelen

In bovengenoemde cyclus is uitgegaan van ammoniak als werkmiddel. Ammoniak is met name geschikt voor grootschalig industriële warmtepompen die warmte kunnen leveren tot een temperatuur van circa 90°C. Ammoniak is een van de meest efficiënte werkmiddelen. Om ammoniak te kunnen gebruiken dienen echter extra veiligheidsmaatregelen genomen te worden. Daarom wordt ammoniak vooral ingezet voor grotere installaties.
Naast ammoniak (R717) zijn er diverse andere werkmiddelen. Bepalend voor de keuze van het werkmiddel zijn het temperatuurtraject en de grootte van de installatie. De werkmiddelen kunnen in twee groepen verdeeld worden: natuurlijke werkmiddelen (butaan, ammoniak en CO2) en synthetische werkmiddelen (R134a, R407c, R410a…). Synthetische werkmiddelen worden vooral voor commerciële toepassingen gebruikt. Nadeel van deze werkmiddelen is dat ze bij lekkage een grote negatieve impact hebben op het broeikaseffect. De impact van deze middelen is bijvoorbeeld 1300 - 2100 maal zo hoog als CO2. Lees meer

Verschillende werkingsprincipes

NH3 pompsysteemDe meest gangbare warmtepomptechniek in de industrie is de mechanische warmtepomp. Naast deze techniek zijn er ook een aantal andere technieken beschikbaar. Hieronder is de werking van diverse warmtepomptechnieken toegelicht.

Mechanische warmtepomp: De mechanische warmtepomp is de meest gangbare techniek voor industriële en commerciële toepassingen. Hierbij wordt het koudemiddel door middel van een compressor van een lage druk naar een hoge druk gecomprimeerd, waardoor de verdampingstemperatuur van het koudemiddel stijgt. Mechanische warmtepompen komen voor in twee uitvoeringen: een systeem met directe expansie (dx systeem) en een pompsysteem. Lees meer

Gasmotor warmtepomp: De gasmotor warmtepomp bestaat uit een mechanische warmtepomp en een gasmotor. In tegenstelling tot een conventionele warmtepomp waarbij de compressor met een elektromotor wordt aangedreven, wordt bij een gasmotor warmtepomp gebruik gemaakt van een gasgestookte verbrandingsmotor om de compressor aan te drijven. De warmte uit de motorkoeling en de rookgassen van de gasmotor kunnen nuttig worden gebruikt, waardoor het warmtepomp deel kleiner kan worden uitgevoerd. Lees meer

Absorptiewarmtepomp: Een absorptiewarmtepomp is gebaseerd op het absorberen en uitdampen van een werkmiddel en een absorptiemiddel. Bekende paren zijn Lithium-bromide & water en ammoniak & water. Drijvende kracht voor deze techniek is thermische energie. Absorptiewarmtepompen zijn uitermate geschikt voor een combinatie van warmte- en koude vraag. Lees meer

Adsorptiewarmtepomp: Een adsorptiewarmtepomp is gebaseerd op dezelfde techniek als een absorptiewarmtepomp, alleen werkt de adsorptiewarmtepomp met een vaste stof terwijl de absorptiewarmtepomp met een vloeistof werkt. Lees meer

Transkritische CO2 warmtepomp: Boven de 31°C bevindt CO2 zich in het transkritische gebied. Dit betekent dat er geen onderscheid meer is tussen de vloeistof en gasfase. Het gevolg hiervan is dat de warmte niet op een vaste temperatuur, maar over een traject wordt afgegeven.
Lees meer

Hybride warmtepomp: De hybride warmtepomp is een combinatie van een mechanische- en een absorptiewarmtepomp. De techniek is gebaseerd op het feit dat de absorptie van ammoniak in water op een veel hogere temperatuur plaats vindt, dan de condensatie van ammoniak bij gelijke druk. Lees meer

Thermo-akoestische warmtepomp: Een thermo-akoestische warmtepomp maakt gebruik van geluidsgolven. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het fysische verschijnsel dat met een temperatuurverschil een geluidsgolf kan worden opgewekt en omgekeerd met een geluidsgolf een temperatuurverschil kan worden gecreëerd. Met restwarmte op een lage temperatuur wordt een geluidsgolf opgewekt. Deze geluidsgolf wordt gebruikt om op een hoger temperatuurniveau een nuttig temperatuurverschil te creëren. Thermo-akoestische systemen worden momenteel alleen nog op laboratoriumschaal toegepast.

Compressorregeling

Het doel van een warmtepomp is om een proces of gebouw te verwarmen, terwijl een koelmachine tot doel heeft om te koelen. Dit betekent dat de capaciteit van een warmtepomp op een andere manier moet worden geregeld, dan dit normaal gesproken bij koelmachines wordt gedaan. Lees meer

Lees meer