Subcooler

Probleemstelling

AP Hogeschool beschikt over een transkritische CO2-koel- en vriesinstallatie (zie onderzoeksproject KWT), die onttrokken warmte maximaal kan recupereren (warmtepompfunctie). Afhankelijk van de gevraagde vermogens en temperaturen voor het koelen, vriezen en verwarmen, kunnen de werkingscondities van de installatie aangepast worden om een optimaal energieverbruik te bekomen.

Uit intern onderzoek bleek dat de behaalde rendementen van de CO2-installatie lager liggen dan de rendementen gehaald door gelijkaardige installaties met een ander koelmiddel. Bovendien is een installatie op CO2, ten gevolge van de hoge drukken, over het algemeen ook duurder dan andere gelijkaardige installaties. Om aan deze 2 nadelen enigszins tegemoet te komen zou een rendementsverhoging van de CO2-installatie (zodat deze beter of gelijkaardig wordt aan andere installaties) de meerkost van de CO2-installatie kunnen verantwoorden. De CO2-installatie heeft immers op milieutechnisch vlak ook een aantal voordelen. Algemeen zal door een rendementsverhoging de CO2-installatie concurrentiëler kunnen worden ten opzichte van de andere gelijkaardige installaties.

Om deze rendementsoptimalisatie bij CO2-installaties te bewerkstelligen moeten we dus focussen op het nadeel dat de installatie werkt op hoge drukken (120 bar versus 30 bar bij andere installaties), en er dus bepaalde percentages gas bij een bepaalde druk/temperatuur-daling over de expander ontstaan. Door gebruik te maken van een turbine wordt de drukenergie (omgezet in elektriciteit) gerecupereerd en stijgt het totale rendement van de installatie. Deze opzet is vergelijkbaar met de productie van elektriciteit op grote schaal via een elektriciteitscentrale.

De huidig inzetbare turbine kan vanuit zijn ontwerpcondities geen gas verwerken en wordt met veiligheidsparameters (druk, temperatuur en debiet) ingebouwd en hierdoor is deze beperkt inzetbaar. Om de turbine inzetbaar te maken in een groter werkgebied met een groter drukverschil kunnen we de onderkoeling (via subcooling) van de machine vergroten, het gevolg hiervan is een verbetering van het rendement van de CO2 installatie, echter wordt er flashgas gevormd wat tot heden (met de huidige turbineontwerp) potentieel resulteert in een verminderde levensduur en zelfs defect van de turbine.

Stel dat men bij het ideale werkpunt (naar rendement in functie van de toepassing) van de CO2-installatie hierbij het gevormde flashgas praktisch bepaalt, kan er een turbine (schoepen) specifiek voor deze werkingsconditie ontwikkeld worden zodanig dat de turbine een groter drukbereik aankan en zowel het rendement van de installatie als de levensduur van de turbine laat toenemen.

Onderzoeksvragen

1. Wat is het verschil tussen de theoretische en praktische hoeveelheid flashgas in de CO2-installatie bij het ideale werkpunt?
2. Is het mogelijk een turbine te ontwikkelen bij het ideale werkpunt van de CO2-installatie?
3. Hoe kunnen we een drukklep welke het kookpunt (bij een bepaalde druk en temperatuur) van CO2 volgt (ook i.f.v. het turbinemateriaal) optimaal regelen?

Methode

In grote lijnen bestaat het onderzoek uit 4 grote blokken:

1. Literatuurstudie, marktonderzoek naar leveranciers van turbines voor het medium CO2, en opstelling testplan;
2. Implementatie van de subcooler op de CO2-installatie;
3. Uitvoering van de testen volgens het testplan;
4. Verwerking van de resultaten en de bepaling van de hoogste rendementswinst van de installatie bij nominaal bedrijf en bij afwijking (= ideale transkritische druk).