Ammoniak

Met name voor de grotere industriële installaties wordt ammoniak al jarenlang toegepast als koudemiddel. Ammoniak is een uitstekend koudemiddel dat uitblinkt wanneer we het hebben over efficiency van de installaties. Wanneer we spreken over koeltoepassingen dan is de efficiency superieur aan die van andere koudemiddelen. Als we spreken over lage temperatuur toepassingen zoals bijvoorbeeld luchttemperaturen van -30 gr C. geeft CO2 met ammoniak in cascadeopstelling een vergelijkbare of zelfs licht betere efficiency. Ammoniak is ook giftig en brandbaar. Alhoewel de brandbaarheid erg laag is gelden vanwege de giftigheid en de brandbaarheid  strenge eisen aan het ontwerp van de installatie en de veiligheidsuitrusting. Ook kunnen in de koeltechniek veel gebruikte metalen als koper niet toegepast worden maar wordt in combinatie met ammoniak altijd staal of roestvrij staal gebruikt. Ook is ammoniak niet mengbaar met normaal gebruikelijke oliën, zodat ammoniaksystemen vrijwel altijd uitgevoerd worden als pompsysteem of als systemen met natuurlijke circulatie. Dit maakt ammoniak met name voor kleinere systemen relatief duur.

CO2

CO2 wordt ook al langer als koelmiddel toegepast. Toepassing hiervan werd echter ernstig beperkt vanwege de lage kritische temperatuur. Dit houdt in dat CO2 boven de 31 gr C niet condenseert. Dit houdt in dat een installatie bij toepassing in bijvoorbeeld Nederland geschikt moet zijn om als zogenaamde trans kritische installatie te kunnen draaien. Hierbij wordt er geen CO2 gecondenseerd maar wordt het persgas eerst afgekoeld in een zogenaamde gaskoeler en daarna geëxpandeerd. Tijdens de expansie koelt het gas af en wordt er vloeistof gevormd. CO2 kan gebruikt worden met koper (mits sterk genoeg) en mengt goed met ester olie. CO2 mengt ook goed met water maar kan maar erg weinig water bevatten, waardoor de kans op ijsvorming in expansie organen relatief groot is. Ook wordt CO2 frequent gebruikt als zogenaamde verdampende koudedrager. Vanwege de hoge drukken kunnen relatief kleine leidingdiameters toegepast worden en zijn drukvallen van weinig invloed op de capaciteit. In grotere vriesinstallaties wordt CO2 toegepast als koudemiddel met CO2 compressoren in een cascade installatie in combinatie met ammoniak in het hoge temperatuurgedeelte.

Koolwaterstoffen

Koolwaterstoffen worden ook al langer gebruikt. Wel moet gezegd worden dat dit dan alleen op plekken was waar deze middelen al voor kwamen (vanwege productie etc). Veel gebruikte koelmiddelen onder de koolwaterstoffen zijn bijvoorbeeld propaan en butaan. Ook wordt propaan bijvoorbeeld veel gebruikt in erg kleine installatie als koelkasten e.d. voor particulieren.  Het gebruik van koolwaterstoffen wordt enigszins bemoeilijkt doordat het erg brandbaar is. In de praktijk kunnen installaties tot maximaal 100 kg koudemiddelinhoud mits buiten opgesteld zonder extreme veiligheidsmaatregelen gebruikt worden. Daarboven dient de installatie geheel of gedeeltelijk explosieveilig uitgevoerd worden. Koolwaterstoffen en normale koelolie lossen goed in elkaar op en tevens kunnen normaal toegepaste materialen toegepast worden. Dit maakt bijvoorbeeld een propaan installaties relatief goedkoop bij kleinere installatie maar erg duur voor installaties met grotere koelmiddelinhouden. In de praktijk kom je dan alleen kleinere installaties tegen of installaties met een koudedrager, waardoor de benodigde hoeveelheid koudemiddel ernstig beperkt wordt.

Vergelijking eigenschappen voor het gebruik in koelinstallaties en voor- en nadelen

Installaties met ammoniak zijn robuust, betrouwbaar en efficiënt. Ze zijn relatief duur vanwege duurdere en moeilijker te verwerken materialen. Ook zijn zaken als detectie, ventilatie etc normaliter verplicht. Ook en zeker bij grotere installaties (>1.500 kg NH3) zijn extra kosten te verwachten i.v.m. risicoanalyses en vergunningverlening. Tevens is extra aandacht voor veiligheidsaspecten tijdens onderhoud noodzakelijk.

Installaties met CO2 als koudemiddel in een trans kritische installatie ook als deze zogenaamd sub kritisch werkt zijn uitermate complex, onbetrouwbaar en inefficiënt. Het opgenomen vermogen van de compressoren (de grootste stroomverbruikers in een koelinstallatie) is ca 2 * zo hoog als die van een ammoniak compressor. De complexiteit van dit soort installatie maakt ze moeilijker te besturen maar ook te onderhouden. In de praktijk zie je ook veel schades aan met name de compressoren. Installaties met CO2 in de lage temperatuurtrap van een vriesinstallatie opgesteld in cascade met ammoniak.  Deze installaties zijn vergelijkbaar efficiënt als een ammoniak installatie. Deze installatie zijn wel iets complexer dan een ammoniak installatie. Daar staat tegenover dat zaken als olie terugvoer minder aandacht behoeven. Met uitzondering van de mogelijkheid tot verstikking in afgesloten ruimtes is CO2 relatief veilig.

Installaties met koolwaterstoffen zijn relatief betrouwbaar vanwege de relatief lage drukken en de eenvoud van de installaties met name vanwege de goed oplosbaarheid met olie. Ze zijn weliswaar minder efficiënt als ammoniakinstallaties maar een stuk efficiënter als een CO2 installatie en veel betrouwbaarder. Op dit moment kan men dit soort installaties mits minder dan 100 kg koelmiddelinhoud en buiten opgesteld installeren zonder aanvullende eisen. Bij binnen opstelling of grotere koelmiddelinhouden moet de installatie voldoen aan ATEX eisen. Dit maakt ze kostbaarder en vraagt meer aandacht voor beheer en onderhoud. In de praktijk betekend dit dat deze installaties vrijwel altijd uitgevoerd zullen worden met een koudedrager als glycol. Voor grotere vermogens zal gekozen worden voor compacte warmtewisselaars en/of opbouw ut meerdere kleinere installaties. Tijdens onderhoudswerkzaamheden is extra aandacht noodzakelijk voor de brandveiligheid, zoals leegmaken en doorspoelen met stikstof alvorens aan te vangen met werkzaamheden.

Koudemiddelen voor warmtepompen

Zoals bekend worden er vanwege de vraag naar vermindering van het gebruik van aardgas, olie en steenkool meer en meer warmtepompen toegepast i.p.v. ketels. Uiteraard kan met alle drie voornoemde koudemiddel(groepen) eenvoudig warmte afgegeven worden tot een niveau van 30 gr C. Hiervoor gelden de eigenschappen als voornoemd voor het gebruik in koelinstallaties.

CO2 is goed toe te passen voor het opwarmen van water tot ca 60 – 79 gr C. Hierbij geld wel als conditie dat eventueel retourwater of het proceswater een ingangstemperatuur moet hebben in de orde van grootte van maximaal 20 gr C. CO2 is in tegenstelling tot beide anderen ongeschikt  voor CV achtige systemen met bijv. water van 40 naar 60 gr C of hoger. Met ammoniak en/of de koolwaterstoffen kan dit wel. Met ammoniak zijn temperaturen tot ca 90 gr C haalbaar. Voor de koolwaterstoffen ligt dit hoger. Op dit moment zijn temperaturen tot ca 170 gr C haalbaar.

Toekomstverwachtingen en standpunt VHI Koudetechniek

Voor installaties met koelvermogens van ca 1.500 kW en groter werd nu al gekozen voor het gebruik van ammoniak al dan niet in combinatie met CO2 in een cascadesysteem. Vaak wordt tevens de ammoniak inhoud beperkt door het toepassen van een secundair koelmiddel als glycol of CO2.

Voor kleinere installaties werd vaak gebruik gemaakt van zogenaamde HFK’s. Het gebruik hiervan wordt teruggedrongen door overheidsmaatregelen en zal binnen enkele jaren volledig verdwenen zijn.

Voor installaties met een koelvermogen kleiner dan 100 kW is op dit moment propaan een veel gemaakte keuze. Deze zijn dan wel uitgevoerd als dx installatie in combinatie met glycol en worden buiten opgesteld.  Deze installaties hebben een rendement dat min of meer gelijk is aan dat van HFK installaties. Ze zijn vanwege het ontbreken van een zogenaamde glide tijdens het verdampen wat betrouwbaarder.

Het gebied tussen de 100 en 1.500 kW wordt nu, i.v.m. de aanschafprijs vaak opgevuld door gebruik te maken van CO2 trans kritische installaties. Dit is vanwege het zeer lage rendement in combinatie met een lage betrouwbaarheid een slechte keuze.

Op dit moment zien we een tendens, waarbij de koelvermogen van de propaanunits groter worden. Tevens zien we dat er voor kleiner wordende koelvermogens vaker gekozen wordt voor ammoniak.

VHI koudetechniek bv heeft mede vanwege deze verwachtingen een ammoniak lijn ontwikkeld, waarbij complete units in onze werkplaats samengesteld worden. Deze installaties maken gebruik van industriële componenten en besturingen en worden stekkerklaar aangeleverd. Voor installaties met een vermogen vanaf ca 250 kW of groter en een redelijk aantal draaiuren is dit economisch een meer dan verantwoorde keuze. Met name als men kijkt naar de zogenaamde TCO (Total Cost of Ownership).