Technologie
Expansietechnologie die de arbeid terugwint die een smoorventiel vernietigt
In elke dampcompressiecyclus wordt het koudemiddel van condensatie- naar verdampingsdruk gesmoord. Die stap is isenthalpisch: er verlaat geen arbeid het systeem en de beschikbare energie in het drukverschil gaat verloren. Een expander benut datzelfde drukverschil wél.
Het smoorverlies
Het koudemiddel verlaat de condensor als vloeistof onder hoge druk en moet naar verdampingsdruk. Een expansieventiel doet dat door het door een vernauwing te persen. De druk daalt, maar de enthalpie niet: het proces is isenthalpisch. Onderweg verdampt een deel van de vloeistof tot flashgas, en dat flashgas koelt in de verdamper niets meer — het heeft zijn verdampingswarmte al aan de rest van de vloeistof onttrokken.
In een P–h-diagram is dit de verticale lijn van punt 3 naar punt 4. Alles links daarvan is koelvermogen waarvoor u de compressor hebt betaald en dat u niet krijgt. Hoe groter de druklift, hoe langer die lijn en hoe groter het verlies — daarom hebben diepvries en hogetemperatuurtoepassingen er het meest last van.
Wat een expander verandert
Een isentrope expansie vanuit hetzelfde beginpunt volgt een schuine lijn naar een lagere enthalpie, punt 4′. Er gebeuren twee dingen tegelijk: er verlaat arbeid het systeem, en de verdamper wint het enthalpieverschil tussen 4 en 4′ als extra koelvermogen. De teruggewonnen arbeid verlaagt het compressorvermogen; het extra koelvermogen verhoogt de nuttige opbrengst. Beide duwen de COP omhoog.
Eén component anders, verder niets
De expander zit precies waar het expansieventiel nu zit, tussen de uitgang van de condensor en de ingang van de verdamper. Compressor, beide warmtewisselaars, koudemiddel en vulling blijven zoals ze zijn. Dat maakt het een retrofit en geen herontwerp.
Expansie wordt een geregeld proces in plaats van een vaste vernauwing: onze elektronica stelt de expansie af op het werkpunt, zodat het apparaat deellast en seizoensvariatie volgt in plaats van eenmalig bij inbedrijfstelling te worden ingeregeld.
Hoe onze expander werkt
Het apparaat van Expantec is een Multiphase Pressure Exchanger (MPE). Het is geen turbine: er zit geen snel roterende machinerie in de koudemiddelstroom, en juist dat maakte expanders van oudsher kwetsbaar in tweefasige stroming. De MPE wisselt druk uit tussen de hoge- en lagedrukzijde van de cyclus en geeft de teruggewonnen arbeid terug aan het systeem.
Hij is ontworpen om veilig en onbemand te draaien binnen een bestaande koelinstallatie, onder dezelfde beveiligingen en koudemiddelinsluiting die de installatie al heeft. Hoe hij dat doet valt onder onze octrooiaanvraag; wat voor een operator telt is dat de cyclus zich precies zo gedraagt als voorheen, met minder elektriciteit erin.
Werkgebied
Het apparaat is ontworpen voor industriële warmtepompen en koelinstallaties vanaf circa 100 kW thermisch vermogen, nieuw of bestaand. Het is geschikt voor subkritische cycli met meerfasige koudemiddelstroming — de dagelijkse praktijk in vrieshuizen, proceskoeling en warmtepompen onder het kritische punt — en heeft geen roterende onderdelen in de koudemiddelstroom. Een gedetailleerd specificatieblad per vermogensklasse volgt op het huidige pilotprogramma; vraag ons naar het werkgebied dat bij uw installatie past.
Lees over de eerste retrofit-pilot op een kantoorwarmtepomp bij The Green Village →
Besparingscalculator
Hoeveel COP wint u?
Kies uw koudemiddel, schakel tussen koelen en verwarmen en stel de temperatuurlift en installatie in. De expander verhoogt de COP fors — hoeveel hangt af van uw systeem, dus lees het hier af.
Voorbeeldresultaten
De interactieve calculator heeft JavaScript nodig. Deze voorbeeldwerkpunten tonen de orde van grootte die het model geeft; neem contact op voor een cijfer voor uw eigen installatie.
| Koudemiddel | Vermogen | Lift | COP zonder | Met expander | Kostenbesparing |
|---|---|---|---|---|---|
| Ammonia (R717) | 500 kW × 8.000 uur/jaar | 40 K | 3,06 | 3,15 (+3%) | € 6.940 €/jaar |
| CO₂ (R744, subcritical) | 300 kW × 8.000 uur/jaar | 45 K | 2,28 | 2,55 (+12%) | € 20.360 €/jaar |
| Butane (R600) | 1.000 kW × 7.000 uur/jaar | 50 K | 3,04 | 3,41 (+12%) | € 44.524 €/jaar |
Resultaat
Die combinatie valt buiten het gemodelleerde bereik voor dit koudemiddel. Pas de temperatuurlift aan.
- – Kostenbesparing €/jaar
- – Bespaarde elektriciteit MWh/jaar
Stuurt ons dit scenario. U krijgt een eerlijke eerste inschatting terug.
Hoe is dit berekend?
Voor elk koudemiddel simuleren we met CoolProp een volledige subkritische dampcompressiecyclus, één keer met een expansieventiel en één keer met de Expantec-expander, en lezen we de koel-COP af. De verwarmings-COP is exact de koel-COP plus één, uit de energiebalans van de cyclus. De verdampingstemperatuur ligt vast op een representatieve waarde voor de gebruikelijke toepassing van dat koudemiddel; de schuifregelaar varieert de temperatuurlift naar de condensor. De compressor draait op 61% en de expander op 80% isentroop rendement. De elektriciteit voor een gegeven vermogen is vermogen × draaiuren ÷ COP, dus de kostenbesparing volgt uit de COP-winst.
Uitsluitend indicatief, op basis van modelaannames en een vaste verdampingstemperatuur per koudemiddel. De werkelijke resultaten hangen af van de installatie. Hieraan kunnen geen rechten worden ontleend.
Retrofit en integratie
Mechanisch vervangt de expander het expansieventiel en het direct aangrenzende leidingwerk. Elektrisch heeft hij een voeding voor de schakelkast nodig en, waar beschikbaar, een signaal van de installatieregelaar zodat de expansie de belasting kan volgen. Compressor, warmtewisselaars, koudemiddel en vulling blijven zoals ze zijn.
Bij de pilot bij The Green Village werd de retrofit uitgevoerd door de eigen installateur van de installatie, Warmtebouw, met ondersteuning in de systeem-engineering van IBK — zoals wij elke retrofit voor ons zien: door de partij die de installatie al kent.
Veelgestelde vragen
Wat is terugwinning van expansiearbeid?
In een warmtepomp- of koelcyclus moet vloeibaar koudemiddel onder hoge druk naar verdampingsdruk worden gebracht. Een smoorventiel doet dat zonder iets op te leveren; de energie in het drukverschil gaat verloren. Bij terugwinning van expansiearbeid expandeert het koudemiddel door een apparaat dat arbeid uit die drukval haalt, zodat de compressor minder hoeft te leveren.
Betekent een hogere COP evenveel procent minder elektriciteit?
Nee — iets minder. Het elektriciteitsverbruik is vermogen gedeeld door COP, dus stijgt de COP met een bepaalde fractie, dan daalt het verbruik naar 1/(1 + die fractie) van wat het was. Een 20% hogere COP is bijvoorbeeld circa 17% minder elektriciteit, niet 20%. De calculator toont beide voor uw werkpunt.
Vervangt de expander het expansieventiel, of werkt hij ernaast?
Hij neemt de plaats van het expansieventiel in de cyclus in. Compressor, condensor, verdamper en koudemiddelvulling blijven onaangeroerd, en daarom is het apparaat geschikt voor retrofit van bestaande installaties.
Welke installaties profiteren het meest?
De terug te winnen arbeid groeit met de druklift tussen verdamper en condensor. Diepvriesopslag, hogetemperatuurproceswarmte en stoomproducerende warmtepompen hebben daarom het meest te winnen. Gebruik de calculator hierboven om het berekende effect voor uw eigen werkpunt te zien.
Is de Multiphase Pressure Exchanger een turbine?
Nee. Turbine-expanders hebben moeite met tweefasige koudemiddelstromen. De MPE is een drukwisselaar, dus er draait geen snel roterend wiel in de koudemiddelstroom, en hij is ontworpen om veilig binnen een bestaande installatie te werken.