Gesloten hybride mediumkoeler spaart veel energie

Thema
G88@DJ9:AJ8=I7:=6C9:A>C<
door H.T. Huizinga
Heat Transfer Holland
Zuidwolde
Saving of energy costs with closed hybrid medium cooler
Gesloten hybride
mediumkoeler spaart
veel energie
In het mechanische koelproces is veel energie
te besparen door het verlagen van de condensatiedruk- en temperatuur, het verhogen van
de verdampingsdruk- en temperatuur en het
verlagen van de condensorvloeistoftemperatuur
door onderkoeling. Gesloten hybride koelsystemen maken een dergelijke energiebesparing
mogelijk.
beter omdat er zo kort en zo weinig mogelijk water
wordt verdampt.
Bij voldoende lage buitentemperatuur stopt het
verdampen van water en werkt het systeem droog.
Gesloten hybride systemen werken met koelwater
zonder antivries en hebben hierdoor een nog betere
warmteoverdracht. Door het schoon blijven van het
watercircuit zijn nog lagere koelwatertemperaturen
Bij grote systemen die met water werken voor het
transport van koude, kan energiebesparing bereikt
worden door het verhogen van de koudwatertemperatuur (verdamper) en het verlagen van de
koelwatertemperatuur (condensor)(Zie figuur 1.)
Bij systemen waarbij gebruik gemaakt wordt van
het koelende vermogen van verdampend water, is
een optimale energiebesparing mogelijk door het
verlagen van de condensatietemperatuur. Hierbij
zijn koelwatertemperaturen te bereiken die lager
zijn dan de beschikbare koellucht- c.q. buitentemperatuur.
Optimaal gebruik GHM-systeem
De gesloten hybride mediumkoeler maakt optimaal
gebruik van deze verdampingswarmte met een minimaal waterverlies, en bereikt hierdoor een veel hogere koudeterugwinefficiëntie dan de veel gebruikte
dry-coolers (droge mediumkoelers). Zelfs het totale
jaarrendement is, in vergelijking met een koeltoren,
Figuur 1:
Energiebesparing door verhogen van verdampingstemperatuur
en verlagen van condensatietemperatuur.
102e Jaargang nr. 2 - februari 2009
21
Thema
G88@DJ9:AJ8=I7:=6C9:A>C<
159,6
Figuur 2:
Vergelijking benodigde compressorenergie bij een dry-cooler en
bij een tweetraps gesloten hybride mediumkoeler. Beide werken
met het koudemiddel R134a en hebben een gelijke verdampercapaciteit van 360 kW.
mogelijk. Met de tweetraps gesloten hybride mediumkoeler (GHM) wordt met dezelfde koelluchthoeveelheden een nog hoger totaalrendement bereikt.
Rekenprogramma’s
Zeller Consulting Suisse, een expert in het vakgebied koeling en luchtbehandeling, heeft hiervoor
vele programma’s ontwikkeld, waaronder het programma “ESH- Refrigerant-Air-Cooling: Iteration
for evaporator, condenser and compressor”. Met
dit programma kan de capaciteit van de verschillende systemen berekend en vergeleken worden. Zo
is met dit programma een vergelijking gemaakt van
de af te voeren totale warmte en de verdamper- en
compressorenergie bij een dry-cooler en bij een
tweetraps gesloten hybride mediumkoeler (GHM).
Van alle data zijn de meest relevante naast elkaar
samengevat. (Zie tabel hieronder)
Verschil in compressorcapaciteit bij de dry-cooler
en de tweetraps gesloten hybride mediumkoeler:
40,5 kW (Zie figuur 2.). Het rekenvoorbeeld toont
het verschil in compressorenergiegebruik (kW) tussen de systemen. Beide systemen hebben dezelfde
koeler-/verdampercapaciteit van 360 kW en een
gelijke verdampingstemperatuur van 2ºC met een
oververhittingstemperatuur van 9ºC.
Bij het systeem met warmteafvoer via de droge
mediumkoeler is het benodigde compressorvermogen 159,6 kW en moet het vermogen om de warmte
van de dry-cooler af te voeren 519,6 kW (360 +
159,6) zijn.
Het compressorvermogen is bij de hybride mediumkoeler slechts 119,1 kW. Hierdoor hoeft de tweetraps gesloten hybride mediumkoeler maar 479,1
kW (360 + 119,1) warmte af te voeren.
Het benodigde compressorvermogen van het hybride systeem is 40,5 kW (159,6 - 119,1) lager, dus
het hybride systeem boekt een fantastische energiewinst van 34% ten opzichte van de dry-cooler.
Winst, die verkregen wordt door het verlagen van
de condensatietemperatuur en die alleen mogelijk is
bij de keuze van een tweetraps gesloten hybride mediumkoeler. Het systeem met vóórkoeling in twee
trappen van de koellucht door waterverdamping
bij hoge buitentemperaturen en droog werkend bij
lagere buitentemperaturen.
Vergelijkende rekenwaarden
De COP-verbetering van de verdamper (koeling
3,023 - 2,255) met 0,768 komt door de lagere condensatietemperatuur; het verschuiven van punt to’
in het H-T diagram. De andere COP- verbetering
(verwarming 4,023 - 3,255) met 0,768 vindt plaats
door de verlaging van de condensatietemperatuur.
(zie tabel en beide diagrammen op blz. 23)
Dry-cooler
bar
Heetgas (thg)
Condensatie (tc”)
Condensatie (tc’)
Onderkoeling (tsc)
Condensor
Verdamper
ºC
kJ/kg
kW
89,0
52,0
52,0
49,0
466,4
424,1
274,7
270,1
111,8
395,5
12,3
196,3
519,6
202,7
399,8
406,1
343,3
16,7
136,0
360,0
9529,6
60,3
159,6
9529,6
13,9
Verdamping (to’)
Verdamping (to”)
Oververhitting (tsh)
Gesloten hybride mediumkoeler
2,0
2,0
9,0
3,1
Compressor
Kg/h
9529,6
COP
3,255
bar
ºC
kJ/kg
kW
75,0
42,0
42,0
39,0
456,1
420,3
259,4
254,9
85,2
383,2
10,7
201,2
479,1
202,7
399,8
406,1
345,0
15,0
151,2
50,0
10,8
2,0
2,0
9,0
2,255
3,1
Kg/h
COP
8574,0
4,023
360,0
8574,0
3,023
119,1
8574,0
Vergelijking tussen dry-cooler en gesloten hybride mediumkoeler.
22
102e Jaargang nr. 2 - februari 2009
Thema
G88@DJ9:AJ8=I7:=6C9:A>C<
Temperatuur ºC
Gegevens lamelwarmtewisselaars, toegepast in de systemen
H-T diagram R134a met dry-cooler
Temperatuur ºC
H-T diagram met gesloten hybride mediumkoeler
2 traps
Om het vergelijk zuiver te houden is bij beide
systemen gekozen voor het medium water zonder
antivries. Bij een dry-cooler wordt normaal gewerkt
met antivries. Hierdoor moet rekening gehouden
worden met een extra capaciteitstoename van circa
6% door de slechtere warmteoverdracht tussen het
koelmedium en de pijpen van de warmtewisselaars.
Gegevens van de lamelwarmtewisselaars,
toegepast in de systemen
De koelenergie van 1 liter verdampend water van
18ºC is 0,683 kWh/kg. Bij een buitenconditie van
30ºC en 40% RV kan de lucht maximaal met 4,3
g/kg bevochtigd worden, waarna de lucht een conditie zal hebben van 21,6ºC met 100% RV. In het
voorbeeld is de koelenergie door het verdampende
water in de 1e trap 226,6 kW en in de 2e trap 89,6
kW, dit is latente warmte die aan de lucht onttrokken wordt. Voor een nog grotere koelcapaciteit
wordt een klein deel van het toegevoerde water in
de lamelwarmtewisselaar verdampt. In de 1e trap
58 kW en in de 2e trap 68,5 kW; de warmte komt
uit het te koelen water.
Door het gebruik van deze latente koelenergie
(totaal 126,5 kW) kan het warmteuitwisselingsoppervlak van de warmtewisselaar van de hybride
mediumkoeler kleiner worden. Hierdoor kan er
minder lucht verplaatst worden, waardoor het
warmtewisselende oppervlak bij een gemiddelde
102e Jaargang nr. 2 - februari 2009
23
Thema
G88@DJ9:AJ8=I7:=6C9:A>C<
Gesloten hybride mediumkoeler 2 traps hoogrendement
buitenluchttemperatuur – als het systeem droog
werkt – optimaal is.
De bouwwijze van de gesloten hybride mediumkoeler maakt verschillende uitvoeringen mogelijk,
bijvoorbeeld buiten- of binnenopstellingen, horizontale luchtstroom, afbuigende luchtstroom, andere
materiaalkeuze van de wisselaars en/of omkasting,
en opties als het filteren van vuile koellucht of extra
geluiddemping.
Uit het rekenvoorbeeld blijkt duidelijk dat de
keuze van het systeem van warmteafvoer een grote
invloed heeft op het totale energiegebruik. Met de
keuze van een tweetraps gesloten hybride mediumkoeler (GHM) voldoet u aan het referentiedocument van de Europese Commissie “best beschikbare
technieken voor industriële koelsystemen (BREF)”.
Een systeem waarin het koudemiddel direct condenseert is ook mogelijk, maar deze systemen worden
altijd in ééntraps uitvoering gebouwd.
Er is ook een vergelijking gemaakt in kosten ten
gevolge van het waterverlies tussen een open natte
koeltoren en een gesloten hybride mediumkoeler.
Hiervoor wordt verwezen naar het artikel van deze
auteur dat werd gepubliceerd in RCC Koude &
Luchtbehandeling, 100e jaargang nr. 12 – december
2007.
Samenvatting
Gesloten hybride koelsystemen die zijn geïntegreerd
in de totale installatie zorgen door verdamping
van water voor een verlaging van de condensatietemperatuur en onderkoeling van de koudemiddelvloeistof. Daardoor ontstaat een aanmerkelijke
energiebesparing van het opgenomen compressorvermogen en een reductie van CO2-emissie bij de
elektriciteitscentrale.
Summary
Closed hybrid medium coolers integrated in the
central plant can, by evaporating water, reduce the
condensing temperature and cause sub cooling of
the refrigerant liquid. As a result, the compressor
energy consumption is substantially reduced, as is
the CO2 emission of the electric power station.
Nadere Informatie
Huizinga Technisch Handelsburo
Heat Transfer Holland
Ten Arlo 6
7921 VA Zuidwolde
T: 0528 – 37 10 10
F: 0528 – 37 17 68
E-mail: [email protected]
www.hth-hth.nl
102e Jaargang nr. 2 - februari 2009
25