Warmtepompen

Warmtepompen zorgen ervoor dat warmte van lage temperatuur, bijvoorbeeld uit de omgeving, op een hogere temperatuur wordt gebracht. Warmtepompen kunnen ook dienst doen als koelmachine. In het laatste geval is het handhaven van de lage temperatuur het doel, denk hierbij aan een koelkast waarbij de verwarmde lucht aan de achterkant van de koelkast wordt afgevoerd. Voor de optimale plaatsing van een warmtepomp in een (industriële) installatie kan gebruik worden gemaakt van Pinch-analyse.

Er bestaan verschillende soorten warmtepompen. Voorbeelden zijn compressiewarmtepompen, absorptie­warmtepompen en combinaties daarvan.

Compressiewarmtepompen

De compressor van compressiewarmtepompen kan aangedreven worden door een gasgestookte of een elektrische motor. Het medium dat de kringloop doorloopt wordt arbeidsmedium genoemd en in het geval van een koelmachine ook wel koudemiddel. Een voorbeeld van een koudemiddel is ammoniak (NH₃).

Het principe van een compressiewarmtepomp is weergegeven in onderstaande figuur.


In werkelijkheid bestaat een compressiewarmtepomp uit een verdamper (waar de warmte van lage temperatuur wordt opgenomen), een compressor (waarmee de druk verhoogd wordt en waardoor de temperatuur van het kringloopmedium stijgt van laag naar hoog), een condensor (waar de warmte van hoge temperatuur wordt afgegeven) en een smoorventiel (waarmee de druk weer verlaagd wordt tot de begindruk), zie onderstaande figuur.


Het rendement van een compressiewarmtepomp, niet zijnde een koelmachine, is gedefinieerd als de geproduceerde hoeveelheid warmte van hoge temperatuur gedeeld door de benodigde arbeid om de warmtepomp te bedrijven. Dit rendement (γ) wordt de ‘coefficient of performance’ (COP) van een warmtepomp genoemd, in formulevorm:

$$ γ_{\compr.\wp} = {\COP} ≡ {Q_\H} / {W} $$
De COP van een warmtepomp is altijd groter dan 1, d.w.z. groter dan 100%. Dit komt doordat de toegevoerde warmte van lage temperatuur niet wordt meegerekend bij de bepaling van het rendement. Uit de eerste hoofdwet en de Carnot-vergelijkingen is af te leiden dat voor het maximale (= theoretische) rendement van een compressiewarmtepomp onderstaande formule geldt:

$$ γ_{\compr.\wp,\max} = {T_\H} / {T_\H - T_\L} $$
Uit omschrijven van de formule volgt dat het maximale rendement van een compressiewarmtepomp, niet zijnde een koelmachine, dus gelijk is aan het omgekeerde Carnot-rendement:

$$ γ_{\compr.\wp,\max} = {1} / {1 - {T_\L} / {T_\H}} $$
In de praktijk bedraagt het rendement 50-70% van het theoretische (= maximale) rendement. Het verschil tussen werkelijk en theoretisch rendement wordt met name veroorzaakt doordat de expansie in het smoorventiel niet-omkeerbaar verloopt. Ook de compressiestap is niet-omkeerbaar en daarnaast zijn er temperatuurverschillen nodig in verdamper en condensor.

Bij een warmtepomp die dienst doet als koelmachine wordt het rendement (β) gedefinieerd als de hoeveelheid warmte onttrokken aan de te koelen ruimte gedeeld door de daarvoor benodigde arbeid:

$$ β_{\compr.\wp} ≡ {Q_\L} / {W} $$
Het maximale rendement van een koelmachine is:

$$ β_{\compr.\wp,\max} = {T_\L} / {T_\H - T_\L} $$

Absorptiewarmtepompen

Bij absorptiewarmtepompen is geen compressor aanwezig, maar wordt de warmtepomp aangedreven door thermische energie (warmte). De compressor is in dit geval vervangen door een tweede kringloop, ook wel oplossingskringloop genoemd, waarin zich een (re)generator en een absorber bevinden, zie onderstaande figuur.


Het kringloopmedium dat door de verdamper en condensor, de koudekringloop, stroomt is bijvoorbeeld ammoniak. In de absorber lost het ammoniakgas dat uit de verdamper komt op in water. Bij dit oplossen komt warmte (Q_A) vrij met dezelfde temperatuur als de warmte die vrijkomt uit de condensor (Q_C). Het ammoniak/water mengsel wordt door middel van een vloeistofpomp in druk verhoogd en naar de (re)generator gevoerd. In de (re)generator wordt warmte (Q_G) toegevoerd waardoor het ammoniak uit het mengsel verdampt. De ammoniakdamp gaat naar de condensor en het water wordt na het verlagen van de druk via een smoorventiel weer teruggevoerd naar de absorber. De totale hoeveelheid geleverde warmte bestaat dus uit de warmte die vrijkomt bij absorber en condensor. Evenals compressiewarmtepompen kunnen absorptiewarmtepompen gebruikt worden om te verwarmen en te koelen.

Met verwaarlozing van de pomparbeid nodig voor de oplossingskringloop geldt, analoog aan de algemene definitie van een universeel rendement, voor het rendement van een absorptiewarmtepomp die gebruikt wordt om te verwarmen:

$$ γ_{\abs.\wp} ≡ {Q_\A + Q_\C} / {Q_\G} $$
en om te koelen:

$$ β_{\abs.\wp} ≡ {Q_\V} / {Q_\G} $$
Bij een absorptiewarmtepomp die gebruikt wordt als warmtetransformator, zie onderstaande figuur, is de temperatuur van de warmte die vrijkomt bij de absorber (Q_A met temperatuur T_H) hoger dan de temperatuur van de toegevoerde warmte bij generator en verdamper (Q_G resp. Q_V bij T_in). In dit geval opereren de verdamper en de absorber bij een hogere druk dan de generator en de condensor: tussen condensor en verdamper zit een pomp die de druk verhoogt (in plaats van een smoorventiel dat de druk verlaagt), het rijke mengsel dat van absorber naar generator gaat wordt met een smoorventiel in druk verlaagd (in plaats van in druk verhoogd met een pomp) en het arme mengsel dat teruggaat van generator naar absorber wordt met een pomp in druk verhoogd. Voor de warmtetoevoer bij de verdamper en de generator wordt warmte van dezelfde temperatuur (T_in) gebruikt. Bij een warmtetransformator is de temperatuur van de warmte die afgevoerd wordt bij de condensor (T_L) het laagst: T_H > T_in > T_L.


Met verwaarlozing van de pomparbeid geldt, analoog aan de algemene definitie van een universeel rendement, voor het rendement van de hiervoor beschreven warmtetransformator:

$$ γ_{\warmtetransformator} ≡ {Q_\A} / { Q_\V + Q_\G} $$

Hybride absorptie-compressiewarmtepompen

In tegenstelling tot conventionele compressie- en absorptiewarmtepompen is er bij een hybride absorptie-compressiewarmtepomp, zie onderstaande figuur, sprake van een veranderende temperatuur tijdens de absorptie/condensatie van ammoniak in water en de desorptie/verdamping van ammoniak uit water. Het voordeel van dit type warmtepompen is dat ze een hoger rendement hebben en dat de temperatuur van de productwarmte hoger is. Tijdens de desorptie/verdamping wordt lage-temperatuurwarmte (Q_D) gebruikt om ammoniak uit het ammoniak/water-mengsel te verdampen. Hierbij stijgt de temperatuur en ontstaat er een ammoniakrijke damp en een waterstroom met weinig ammoniak. Na scheiding van de damp- en vloeistoffasen wordt de damp gecomprimeerd en de vloeistof met een pomp in druk verhoogd. Afhankelijk van het systeemontwerp stijgt de temperatuur van de damp tijdens compressie zodanig dat een gaskoeler wordt gebruikt om de damp te koelen voordat deze naar de absorber gaat. De afgevoerde warmte bij de gaskoeler (Q_G) behoort dan ook tot de productwarmte. De vloeistoffase moet juist, door interne warmtewisseling met de vloeistofstroom uit de absorber, bijgewarmd worden om de juiste temperatuur te bereiken. Wanneer de damp- en vloeistofstromen samenkomen in de absorber wordt ammoniak uit de dampfase geabsorbeerd in de vloeistoffase. Hierbij komt absorptiewarmte (Q_A) vrij en daalt de temperatuur van de vloeistoffase doordat de verzadigingstemperatuur van ammoniak lager is dan die van water. Na de absorber (en de interne warmtewisseling met de vloeistofstroom afkomstig van de pomp) wordt de druk van de ammoniakrijke vloeistof verlaagd in het smoorventiel waardoor een damp/vloeistofmengsel bij lage temperatuur ontstaat dat weer naar de desorber/verdamper gaat.


Analoog aan de algemene definitie van een universeel rendement zijn de rendementen van de hiervoor beschreven hybride absorptie-compressiewarmtepompen met als doel verwarmen resp. koelen gelijk aan:

$$ γ_{\abs –\compr.\wp} ≡ {Q_\A (+ Q_\G)} / {W_\compressor + W_\pomp} $$
$$ β_{\abs –\compr.\wp} ≡ {Q_\D} / {W_\compressor + W_\pomp} $$

Achtergrondinformatie

• warmtepompen^w (werkingsprincipe)
• warmtepompen^w (idem, ook verschillende soorten)