BE1019372A3 - Koelsysteem met laag energieverbruik. - Google Patents

Abstract

Koelinstallatie (1) voor laag energieverbruik, bestaande uit een primaire koelkringloop (2) waarin zich een af te koelen object (4) bevindt, een compressor (6a), een primaire condensor (7) en een primaire turbine (8a) die een elektrische generator aandrijft dan wel direct gekoppeld is aan de primaire compressor, daardoor gekenmerkt dat de primaire condensor (7) gekoppeld is aan een secundaire koelkringloop (3) die een Rankine cyclus beschrijft of een TFC (Tri-lateral Flash Cycle systeem) waarbij warmte van de primaire koelkringloop (2) wordt benut in de secundaire koelkringloop (3) die een secundaire turbine (8b) bevat die gekoppeld is aan een elektrische stroomgenerator dan wel direct gekoppeld is aan de primaire compressor; en verder een secundaire condensor (10) bevat en een drukpomp (12).

Description

Koelsysteem met laag energieverbruik.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een koelsysteem met laag energieverbruik.

Meer speciaal, is de uitvinding bedoeld voor het verlagen van het energieverbruik van industriële koelinstallaties.

Het is bekend dat industriële koelinstallaties gebruikt worden om bijvoorbeeld diepvriesruimten af te koelen, om kristalliseereenheden af te koelen, om fractioneereenheden te koelen zoals bij SSHE eenheden (Surface Scraped Heat Exchange) of nog om gassen vloeibaar te maken.

Traditioneel gebeurt het industrieel afkoelen door het gebruik van een koelkringloop waarbij een koelvloeistof zoals bijvoorbeeld ammoniak verdampt wordt waarbij een hoeveelheid warmte onttrokken wordt aan het af te koelen object zoals bijvoorbeeld een diepvriesruimte.

Het verdampte ammoniak wordt vervolgens weer samengedrukt door een compressor, waardoor de temperatuur en de druk van het koelmiddel weer toeneemt, om vervolgens in een condensor weer af te koelen tot een temperatuur en druk die na druk ontspanning weer geschikt is om weer naar het af te koelen object te worden geleid om opnieuw te verdampen en warmte te onttrekken aan het af te koelen object.

De energetische efficiëntie van een dergelijk koelsysteem wordt uitgedrukt in de "Coefficient of Performance" (COP), die de verhouding weergeeft tussen de energie die ontrokken wordt en de energie die daartoe aan het koelsysteem toegevoerd dient te worden. Deze verhouding bedraagt in een traditionele koelkringloop "3", afhankelijk van de voorwaarden.

In dit voorbeeld wordt 900 kW warmte onttrokken aan het te - koelen object, en wordt daartoe 304 kW toegevoerd in de vorm van elektrische energie voor het aandrijven van de compressor.

Dergelijke traditionele koelinstallaties vertonen het nadeel dat veel energie in de vorm van warmte verloren gaat, doordat de compressor dikwijls met olie wordt gekoeld waarbij de opgewekte warmte voor een deel verloren gaat via de oliekoeling van de compressor.

Nog een bron van energieverlies is het verlies van de warmte die is opgeslagen in het samengedrukte koelmedium en die ten dele wordt af gegeven in een condensor, die met bijvoorbeeld water gekoeld wordt en met het koelwater verloren gaat.

Een ander nadeel van een traditionele koelinstallatie is dat de compressor een oliekoeling en smering vereist.

Nog een ander nadeel is dat de koelinstallatie vrij omvangrijk is en daardoor veel ruimte benut.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden.

Hiertoe betreft de uitvinding een koelinstallatie voor laag energieverbruik, bestaande uit een primaire koelkringloop waarin zich een af te koelen object bevindt, een compressor, een primaire condensor en een primaire turbine die een elektrische generator aandrijft dan wel direct gekoppeld is met de primaire compressor, waarbij de primaire condensor gekoppeld is aan een secundaire .koelkringloop die een Rankine cyclus beschrijft of een "Tri-lateral Flash Cycle System" (TFC), waarbij warmte van de primaire koelkringloop wordt benut in de secundaire koelkringloop die een secundaire turbine bevat die gekoppeld is aan een elektrische stroomgenerator, dan wel direct gekoppeld is aan de primaire compressor, en verder een secundaire condensor bevat en een drukpomp.

Een voordeel van een dergelijk koelsysteem is dat een deel van de warmte die in de primaire koelkringloop wordt meegevoerd door middel van een primaire en een secundaire turbine in elektrische energie wordt geconverteerd. Deze dubbele recuperatie zorgt er voor dat de performantie-coëfficient (COP) verhoogd kan worden van 3 naar 7,41 in het onderstaande voorbeeld. Dit betekent dat de hoeveelheid externe energie nodig om het gewenste koeleffect te bereiken met meer dan de helft verminderd kan worden.

Gegeven het energieverbruik voor koelinstallaties in de wereld kan hiermee een gigantische hoeveelheid primaire energie worden bespaard, en bovendien de daaraan gekoppelde verlaging van de C02-emissies wordt verkregen. Tevens wordt een besparing van tertiair koelmiddel verkregen, daar de naar elektriciteit geconverteerde warmte niet meer gekoeld dient te worden.

Nog een voordeel van een dergelijke koelinstallatie is dat de opgewekte elektrische energie ter plaatse kan herbenut worden voor de stroomvoorziening van de compressor, hetgeen de toevoer van externe aangekochte energie verlaagt.

Nog een voordeel van een dergelijk koelsysteem is dat het systeem veel compacter (soms tot de helft compacter) kan gebouwd worden dan een traditioneel koelsysteem, waardoor de benodigde ruimte en materialen beperkt kunnen worden.

Bij voorkeur is het primaire koelmiddel van de primaire koelkringloop verschillend van het secundaire koelmiddel van de secundaire koelkringloop.

Nog een voordeel van de koelinstallatie met laag energieverbruik is dat het primaire koelmiddel en het secundaire koelmiddel en het tertiaire koelmiddel optimaal gekozen kunnen worden in functie van hun rol.

Zo kan bijvoorbeeld het primaire koelmiddel ammoniak zijn, terwijl het secundaire koelmiddel geoptimaliseerd kan zijn voor een Rankine cyclus, of een TFC cyclus.

Zo kan bijvoorbeeld voor het secundaire koelmiddel gekozen worden voor een organisch koelmiddel dat verdampt en condenseert bij lagere temperaturen. Een dergelijk organisch koelmiddel kan zo gekozen worden dat het koelmiddel bij het expanderen in superkritisch gebied blijft en dus nooit in vloeistofvorm overgaat.

Organische koelmiddelen bieden ook het voordeel dat ze een minder hoge verdampingswarmte hebben dan water en daardoor is een groter aandeel van de warmte benutbaar voor opwarming van het secundair koelmiddel, hetgeen voordelig is als het om benutting van restwarmte gaat.

Deze eigenschappen laten toe een Rankine cyclus of een TFC cyclus te gebruiken met een organisch secundair koelmiddel om met laagwaardige warmte nog elektriciteit op te wekken. De minimum temperatuur waarbij dit proces nog praktisch mogelijk is, bedraagt 80°C. Het rendement neemt toe naarmate de temperatuur van de beschikbare warmte hoger is. Bij lagere temperatuur kan ongeveer 10% van de warmte omgezet worden in elektriciteit. Bij hogere temperatuur kan dit tot meer dan 20% oplopen.

zo is een compacte organische Rankine cyclus bekend die tolueen gebruikt als koelmiddel en een rendement van 22 % bereikt. Ook andere organische koelmiddelen worden benut zoals isopentaan of butaan of fluorverbindingen.

Het TFC systeem is bedoeld voor het recupereren van energie uit een lage temperatuur warmtebron. Het gebruik van een mengsel van pentaan en neopentaan werd hierin beschreven.

Het tertiaire koelmiddel kan verschillen van het secundaire koelmiddel en/of van het primaire koelmiddel. De secundaire condensor in de Rankine cyclus of de TFC cyclus kan als tertiair koelmiddel bijvoorbeeld water of lucht gebruiken, die de restwarmte afvoert of nog als verwarmingsbron gebruikt kan worden.

Bij voorkeur is de compressor in de primaire koelkringloop van het droge type, dit wil zeggen dat de compressor niet met olie wordt gekoeld, en ook niet met olie wordt gesmeerd.

Een voordeel van dit droge type van compressor is dat de warmte die door de compressie wordt opgewekt, niet aan olie als koelmiddel of als smeermiddel kan afgegeven worden, en in de koelkringloop blijft, waardoor een grotere fractie van de warmte in elektrische energie geconverteerd kan worden.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm beschreven van een koelinstallatie volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekening, waarin : figuur 1 schematisch een koelinstallatie volgens de uitvinding weergeeft.

Figuur 1 geeft een koelinstallatie 1 weer bestaande uit een primaire koelkringloop 2 en een secundaire koelkringloop 3. De primaire koelkringloop 2 bevat een te koelen object 4, in dit geval een fractioneereenheid, een primair koelmiddel 5, een primaire compressor 6a aangedreven door een elektrische motor 6b, een primaire condensor 7, en een primaire turbine 8a.

De secundaire koelkringloop 3 bevat een secundair koelmiddel 9, en doorloopt de primaire condensor 7 , een secundaire turbine 8b, en een secundaire condensor 10 waar ook een tertiair koelmiddel 11 doorheen loopt. Het secundaire koelmiddel 8 vloeit verder naar een drukpomp 12 en naar de primaire condensor 7 waarmee de secundaire koelkringloop 3 gesloten is.

De werking van de koelinstallatie 1 kan als volgt beschreven worden.

Het primaire koelmiddel 5 zoals bijvoorbeeld ammoniak, wordt verdampt waarbij warmte wordt onttrokken aan een te koelen object 4 zoals in dit geval een fractioneereenheid voor plantaardige oliën. Het verdampte primaire koelmiddel 5 wordt vervolgens naar een primaire compressor 6a gevoerd, die bij voorkeur van het droge type is. Dit wil zeggen dat de compressor 6a niet door olie wordt gekoeld of gesmeerd. Daardoor blijft de warmte die door de compressie in het primaire koelmiddel 5 opgewekt is, in het primaire koelcircuit 2 en kan er nadien meer van deze warmte gerecupereerd worden door omzetting naar elektriciteit.

Het samengeperste primaire koelmiddel 5 wordt verder geleid naar de primaire condensor 7, waar het primaire koelmiddel 5 wordt gekoeld door middel van een secundair koelmiddel 9 en verder wordt geleid naar de primaire turbine 8a. Het primaire koelmiddel 5 wordt verder geëxpandeerd in de primaire turbine 8a, die gekoppeld is aan een generator (niet afgebeeld) voor het opwekken van elektriciteit. Het geëxpandeerde primaire koelmiddel 5 wordt verder geleid naar het af te koelen object 4 waar het opnieuw verdampt wordt en de primaire koelcyclus kan herbeginnen.

De secundaire koelkringloop 3 bevat een secundair koelmiddel 9 zoals bijvoorbeeld een organisch koelmiddel waarmee het primaire koelmiddel 5 in de primaire condensor 7 afgekoeld wordt. Het opgewarmde secundaire koelmiddel 9 wordt verder geleid naar de secundaire turbine 8b, waar het secundair koelmiddel 9 geëxpandeerd wordt en de turbine 8b aandrijft, die gekoppeld is aan een generator (niet afgebeeld) om elektriciteit op te wekken, of direct gekoppeld is aan de primaire compressor.

Het geëxpandeerde secundaire koelmiddel 9 wordt vervolgens naar een secundaire condensor 10 geleid waar het door middel van een tertiair koelmiddel 11 wordt afgekoeld. In dit geval bestaat het tertiair koelmiddel 11 uit water, maar ook lucht kan als koelmiddel gebruikt worden.

Het secundaire koelmiddel 9 wordt verder geleid naar een drukpomp 12 die het koelmiddel verder doorheen de primaire condensor 7 leidt om het primaire koelmiddel 5 opnieuw af te koelen, waarmee de secundaire koelkringloop 3 gesloten is.

In de volgende tabel wordt weergegeven hoeveel energie in kW toegevoerd wordt in de primaire compressor 6a en in de drukpomp 12 en hoeveel energie in kW door de primaire turbine 8a en de secundaire turbine 8b gerecupereerd wordt, zodat de totale netto toegevoerde energie in kW berekend kan worden en vergeleken met de hoeveelheid energie die aan het af te koelen object 4 onttrokken is.

Tabel I : energie uitgedrukt m kW verbruikt (-) en gewonnen (+) in de koelinstallatie volgens de uitvinding.

Door de totale ontrokken energie bij het koelen (900 kW) te delen door de netto toegevoegde energie (121,39 kW), bekomt men de waarde van de performantie-coëfficient (COP) van de koelinstallatie volgens de uitvinding, die nu 7,41 bedraagt, hetgeen meer dan het dubbele is van een traditionele koelinstallatie die een COP van 3 levert.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvorm, doch een koelinstallatie volgens de uitvinding kan in allerlei vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (8)

1. Koelinstallatie (1) voor laag energieverbruik, bestaande uit een primaire koelkringloop (2) waarin zich een af te koelen object (4) bevindt, een compressor (6a) , een primaire condensor (7) en een primaire turbine (8a) die een elektrische generator aandrijft dan wel direct gekoppeld is aan de primaire compressor, daardoor gekenmerkt dat de primaire condensor (7) gekoppeld is aan een secundaire koelkringloop (3) die een Rankine cyclus beschrijft of een TFC ("Tri-lateral Flash Cycle systeem) waarbij warmte van de primaire koelkringloop (2) wordt benut in de secundaire koelkringloop (3) die een secundaire turbine (8b) bevat die gekoppeld is aan een elektrische stroomgenerator dan wel direct gekoppeld is aan de primaire compressor, en verder een secundaire condensor (10) bevat en een drukpomp (12).

2. Koelinstallatie (1) volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het primaire koelmiddel (5) van de primaire koelkringloop (2) verschillend is van het secundaire koelmiddel (9) van de secundaire koelkringloop (3).

3. Koelinstallatie (1) volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de secundaire koelkringloop afgekoeld wordt door een tertiair koelmiddel (11) .

4. Koelinstallatie (1) volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het tertiair koelmiddel (11) verschillend is van het secundaire koelmiddel (9) en/of van het primaire koelmiddel (5).

5. Koelinstallatie (1) volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het secundaire koelmiddel (9) een organisch koelmiddel is.

6. Koelinstallatie (1) volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het secundaire koelmiddel (9) zo gekozen is, dat het bij het expanderen in superkritische toestand blijft.

7. Koelinstallatie (1) volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de compressor (6a) in de primaire koelkringloop (2) van het droge type is, dit wil zeggen dat de compressor niet met olie wordt gekoeld, en ook niet met olie wordt gesmeerd.

8. Koelinstallatie (1) volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de primaire (8a) en secundaire turbines (8b) hun elektriciteit afgeven aan eenzelfde stroombron, die tevens ten dele instaat voor de voeding van de compressor (6a) in de primaire koelkringloop (2) en/of de drukpomp (12) in de secundaire koelkringloop (3).