4 succesvolle voorbeelden van koeling met koolwaterstoffen als koudemiddel

16 juli 2020

Door de transitie naar laag-GWP-koudemiddelen maken ook koolwaterstoffen zoals propaan, butaan of propeen een opmars door. Hoewel sommige eindgebruikers terughoudend zijn vanwege de brandbaarheid, worden deze middelen bij uiteenlopende toepassingen met succes ingezet, zo blijkt uit een viertal praktijkvoorbeelden.

Tekst: ir. René van Gerwen

Opstelling van de butaanwarmtepomp bij de papierfabriek van Smurfit Kappa.

1. Stoomproducerende warmtepomp
Koudemiddel: butaan
Leverancier: IBK Koudetechniek
Bij deze innovatieve toepassing van een warmtepompsysteem wordt verzadigde stoom van 115 °C opgewekt uit een restwarmtestroom van 64 °C die vrijkomt bij het drogen van papier (209 kW en COP van 4,27). De restwarmte is daarmee op een economisch rendabele wijze weer in het industriële proces te gebruiken. Het gaat om een warmtepompunit die met het natuurlijke koudemiddel butaan werkt. Het project betreft een samenwerkingsverband van vijf partijen die ieder hun eigen specifieke kennis hebben toegevoegd: ECN (TNO), Smurfit Kappa, ISPT, Bronswerk en IBK Koudetechniek.

Kringloop met butaan
Het definitieve concept is door IBK gebouwd en in bedrijf gesteld. Via een uitkoppel-warmtewisselaar wordt water/glycol tot 64 °C opgewarmd en naar de warmtepompunit op het dak getransporteerd. Hier wordt het water/glycol-mengsel afgekoeld door het koudemiddel butaan te laten verdampen op een temperatuur van circa 55 °C. De damp die ontstaat wordt door de compressor aangezogen en gecomprimeerd tot een persdruk met een temperatuur van 120 °C. Door in de condensor watercondensaat te laten verdampen bij 115 °C wordt de butaan weer vloeibaar bij circa 120 °C. Deze temperatuur is zeer geschikt om warm water van 75 °C te maken voor benutting elders in het papierproductieproces. De afgekoelde vloeibare butaan wordt vervolgens weer geëxpandeerd naar verdamperdruk, om de kringloop van het koelproces rond te maken.

Propaaninstallatie bij gasbehandelings-centrum: condensor en economiser (rechts). 

2. Koelinstallatie bij gasbehandeling
Koudemiddel: propaan
Leverancier: IBK Koudetechniek
Voor een gasbehandelingscentrum in het noorden van Nederland is een propaankoelinstallatie opgeleverd (445 kW). Deze installatie vervangt de oude installatie die nog gebruikmaakte van het koudemiddel R22. Met de nieuwe propaankoelinstallatie wordt circa 1,6 miljoen m³ aardgas per jaar gekoeld en gereinigd. Het aardgas wordt in drie gaskoelers afgekoeld door warmteafgifte aan het verdampende propaan bij -30 °C. De propaanvloeistof wordt door de propaancirculatiepompen vanuit de vloeistofafscheider naar de koelers gepompt. De ontstane gassen worden via een afscheider aangezogen door drie schroefcompressoren (N+1).

Expansie in twee trappen
In de compressoren worden de gassen gecomprimeerd naar de hoge (condensatie)druk en afgevoerd naar de luchtgekoelde condensor. In deze condensor condenseren de propaan-persgassen op hoge druk en temperatuur door warmteafgifte aan de buitenlucht. De ontstane vloeistof expandeert in twee trappen van de hoge (condensatie)druk via de tussendruk naar de lage (verdampings)druk). Deze expansie vindt respectievelijk plaats in de hogedrukvlotters tussen de condensor en economiser (1e trap) en in de HD-vlotter in de economiser (2e trap). In de economiser wordt het in de 1e trap ontstane flashgas op tussendruk afgezogen door compressoren. Het in de 2e trap ontstane flashgas wordt via de lagedruk-afscheider op lage verdampingsdruk afgezogen met de gassen uit de gaskoelers.

Met de nieuwe propaankoelinstallatie wordt circa 1,6 miljoen m³ aardgas per jaar gekoeld en gereinigd.

Toepassing van heetgas-injectiesysteem
Door een deel van flashgassen op tussendruk af te zuigen wordt een efficiëntieverbetering van circa 14% gerealiseerd. De vloeistof wordt vervolgens weer via de propaancirculatiepompen naar de gaskoelers gepompt, waardoor de cyclus rond is. Naast deze hoofdcyclus is de koelinstallatie ook uitgerust met een heetgas-injectiesysteem op de vloeistofafscheider, waardoor de installatie zonder belasting op de gaskoelers kan worden opgestart en in bedrijf worden gehouden. De olie wordt gekoeld middels een separaat glycolsysteem met drycoolers. Naast vervanging van de koude-opwekking is ook het leidingwerk van en naar de gaskoelers vervangen, net als alle regel- en beveiligingsappendages op de bestaande gaskoelers.

Propaaninstallatie bij bakkerij.

3. Integrale installatie
Koudemiddel: propaan
Leverancier: Servex*Koeltex
Servex*Koeltex is een van de belangrijkste voorvechters van natuurlijke koudemiddelen en een van de eerste bedrijven die zich publiekelijk hebben uitgesproken voor deze toekomstbestendige keuze, inclusief eigen opleiding van vakbekwaam personeel. Tal van installaties met koolwaterstoffen en CO₂ zijn de afgelopen jaren in eigen beheer ontworpen en gebouwd.

Propaaninstallatie bij ambachtelijke bakkerij
Recent is een innovatieve integrale installatie in bedrijf gesteld, afgestemd op de specifieke behoeften van de klant. Deze propaaninstallatie staat in het nieuwbouwpand van een van de grootste ambachtelijke bakkerijen in Limburg. De installatie verzorgt de complete koel/vriesbehoefte, verwarming, klimatisering en ventilatie. In de productieruimtes zorgt de installatie voor de juiste temperatuur en luchtvochtigheid door luchtkoeling, waterkoeling of verwarming. De koel- en vriescellen worden op een constante temperatuur gehouden. Dat geldt ook voor bijvoorbeeld de rijskasten. De luchtkwaliteit wordt verbeterd dankzij de toepassing van maatwerkluchtfilters en uv-licht. Hiermee worden in clean rooms schimmels, bacteriën en virussen onschadelijk gemaakt.

Compressoren in het nieuwbouwpand van de bakkerij.

Vloerverwarming middels restwarmte
De restwarmte die de koelingen produceren wordt met een warmteterugwininstallatie weer gebruikt voor verwarming. Zoals voor de vloerverwarming, of de verhitting van tapwater tot 80 °C. Airconditioning en luchtbehandeling zorgen voor het binnenklimaat in het aangrenzende kantoorpand en de conferentieruimte. Diverse ruimtes zijn voorzien van luchtafzuiging. De netwerkserverruimte wordt gekoeld en de geproduceerde warmte wordt hergebruikt in andere ruimtes. De installatie kan eenvoudig worden bestuurd en op afstand worden uitgelezen dankzij het eigen visualisatie-, monitoring- en besturingssysteem.

Schematische voorstelling van het propaanwarmtepompconcept voor bestaande woningen 

4. Toepassing in bestaande woningen
Koudemiddel: propaan
Ontwikkelaar: HP-Launch
Het HP-Launch Project (High Performance Little Air Unit Natural Charge Heatpump) is opgezet door een consortium van kennisinstellingen en bedrijven die in twee jaar een luchtwarmtepomp voor bestaande Nederlandse woningen hebben ontwikkeld. De resultaten uit het project zijn in juni 2020 beschikbaar gesteld voor warmtepompfabrikanten. Zij kunnen hiermee met weinig inspanning een nieuw product op de markt zetten. Het hybride systeem (warmtepomp met hr-ketel) bevindt zich op zolder; de luchtwarmtewisselaar en de ventilatoren bevinden zich in een monobloc op het dak. De warmtepomp (3,5 kW met (S)COP van 3,84 tot 4,47, afhankelijk van de gehanteerde condities), bevat 150 gram propaan. Het project wordt ondersteund door de Topsector Energie en het Sustainable Electrical Energy Centre of Expertise (SEECE). De volgende partijen werken samen: Hogeschool van Arnhem en Nijmegen (coördinatie, regeltechniek en modellering), Business Development Holland (aansluiting bij de markt), De Haagse Hogeschool (regeltechniek en modellering), MMID Full-service design team (integraal productontwerp), Re/genT Helmond (koudetechniek en testen), TransferWorks (warmtewisselaars).