Compressorfrequentie en persdruk van een transkritisch CO2-warmtepompsysteem

27 mei 2020

CO₂ wordt beschouwd als een goede vervanger van HFK-koudemiddelen zoals R134A of R404A. Het kent een lage GWP-waarde, is relatief goedkoop, niet giftig, onbrandbaar en bestendig tegen corrosie.

De kritische temperatuur van CO₂ bedraagt 31,1 °C, de kritische druk ervan ligt op 7370 kPa. In superkritische toestand vertoont dit koudemiddel bijzondere eigenschappen: het heeft zowel de kenmerken van een gas als van een vloeistof. De viscositeit is vergelijkbaar met die van een gas, en de dichtheid ligt dicht tegen die van een vloeistof, waardoor deze toestand van CO₂ zowel gunstig is in vloeibaarheid als in thermische geleidbaarheid. In vergelijking met een traditionele koelcyclus is een cyclus die gebruikmaakt van transkritisch CO₂ echter relatief inefficiënt en kent hij een hoog energiegebruik.

Gaskoeler vervangt conventionele condensor
Chinese onderzoekers laten zien in hoeverre de frequentie van de compressor van een warmtepomp die gebruikmaakt van CO₂ invloed uitoefent op het rendement van de compressor, op het verwarmingsvermogen, op de uitlaattemperatuur van het water en op de algemene COP-waarde van het systeem. Een warmtepomp op basis van transkritisch CO₂ kent vier hoofdcomponenten: een compressor, gaskoeler, verdamper en expansieventiel. Omdat in het warmteafgifteproces geen faseverandering optreedt, vervangt de gaskoeler in deze opstelling de conventionele condensor. De Chinese proefopstelling omvat een semi-hermetische compressor die wordt aangestuurd door een omvormer, een concentrische gaskoeler met een dubbele buis, een geribde buisverdamper, een handmatige expansieklep, een gas-vloeistofafscheider, een regenerator en een PLC.

Invloed op mechanisch rendement
De resultaten van het onderzoek tonen aan dat de frequentie van de compressor met name van invloed is op het mechanische rendement ervan. Het verwarmingsvermogen en de uitlaattemperatuur worden eerder beïnvloed door het massadebiet van de CO₂ en door de inlaattemperatuur van het water. Bij een toenemende zuigdruk stijgt de COP-waarde van het systeem; deze piek van de COP-waarde wordt veroorzaakt door de wijziging van de enthalpie in de uitlaat van de gaskoeler.

Maximale uitlaattemperatuur van het water
De uitgevoerde experimenten laten zien dat de maximale uitlaattemperatuur van het water in de proefopstelling kan stijgen tot 80,5 °C, en de COP-waarde tot circa 5,1. Om deze optimale persdruk te onderzoeken, analyseren de onderzoekers de experimentele gegevens aan de hand van de Buckingham PI-stelling, wat een dimensieloze correlatievergelijking oplevert. De maximale relatieve afwijking tussen deze correlatievergelijking en de onderzochte bedrijfsomstandigheden ligt op 3%.