Optimalisatie van een koelcyclus met dampinjectie bij koolwaterstof als koudemiddel

Wetenschappers hebben gemengde koolwaterstoffen geanalyseerd die als koudemiddel werden gebruikt in combinatie met een flashtank met dampinjectie. 

Koelsystemen, inclusief airconditioning en warmtepompen, zijn wereldwijd verantwoordelijk voor bijna 17% van het elektriciteitsverbruik. Elke verbetering van systemen, hoe klein ook, heeft een drastische impact op energieverbruik en kosten. Vanwege de toenemende beperkingen die gelden voor koudemiddelen met halogeenalkanen, zijn koolwaterstoffen een stuk interessanter geworden voor gebruik als koudemiddel.

Binaire koudemiddelmengsels 
Aan de Universiteit van Campinas in Brazilië bestudeerde een groep wetenschappers binaire koudemiddelmengsels op basis van R170 (ethaan), R290 (propaan), R600 (butaan) en R600a (methylpropaan). Bij een klassieke dampcompressiecyclus is het belangrijkste verschil tussen het gebruik van zuivere en gemengde koudemiddelen dat bij het gebruik van een mengsel een temperatuurvariatie optreedt tijdens de verdamping en de condensatie. Bij zuivere koudemiddelen is dat niet het geval.

Variant op de klassieke dampcompressiecyclus
De in deze studie gebruikte flashtank gaat uit van een aangepaste vorm van de klassieke dampcompressiecyclus, waarbij de onderzoekers na het expansieventiel een flitsscheider hebben toegevoegd. Het vloeistof-dampmengsel dat tijdens het expansieproces wordt gegenereerd wordt in de flashtank gescheiden in een dampstroom en een vloeistofstroom. De samenstelling en concentratie van deze uitgangsstromen zijn verschillend, naar gelang men een zuiver of een gemengd koudemiddel gebruikt.

Maximalisatie van de COP
Aan de hand van verschillende koudemengsels simuleerden de onderzoekers deze cyclus, die zij vervolgens probeerden te optimaliseren voor een maximale COP. Ze hielden hierbij rekening met een vaste koelcapaciteit in de verdamper, met als doel de temperatuur van een secundaire thermische vloeistof te verlagen van 281,55 K tot 269,15 K. Bij de analyse richtten zij hun aandacht op het prestatiecoëfficiënt, de temperatuurval in de verdamper, en de stroomsnelheid van het gebruikte koudemengsel.

Duurder, maar efficiënter 
De wetenschappers concludeerden dat bij het gebruik van een flashtank met dampinjectie de COP altijd hoger ligt dan bij de conventionele dampcompressiecyclus, waarbij de verbetering varieert van 4 tot 36 procent, al naar gelang de vraag welk koudemiddel wordt gebruikt. Het nadeel van de opstelling met flashtank is dat hij duurder en technisch ingewikkelder is. Zowel bij de klassieke opstelling als bij het gebruik van de flashtank kwam het mengsel van R290 en R600 in de verhouding 60/40 procent als beste uit de bus, met een COP van respectievelijk 4,49 en 4,88. Dit mengsel heeft ook de laagste massastroomverhouding. De mengsels ethaan/propaan en propaan/butaan vertoonden in de verdamper de meest geschikte temperatuurwisselingen. • Onderzoekers: Stella Maia Rocha de Carvalho, Luiz Henrique Parolin Massuchetto, Raiza Barcelos Corrêa do Nascimento, Hugo Valença de Araújo, José Vicente Hallak d’Angelo, University of Campinas, Brazilië.
• Uit: International Journal of Refrigeration, n° 98 (2019), pp 109-119.