Afscheid van traditionele compressor-gebaseerde koeling?

Afscheid van traditionele compressor-gebaseerde koeling?

Van Ozgun Danaci, DNV GL

Tot voor kort vertrouwde de gezondheidszorg op ultralage temperatuur (ULT) vriezers met op compressoren gebaseerde cascade koelsystemen. Cascadesystemen zijn eenvoudigweg twee afzonderlijke, door een compressor aangedreven koelcycli in een cascadeopstelling waarmee ultralage temperaturen worden bereikt door warmte in twee fasen aan de vriezer te onttrekken. De eerste cyclus onttrekt warmte aan de vrieskist met zijn verdamper en stoot die warmte in de tweede cyclus af met zijn condensor. Aangezien er een aanzienlijk temperatuurverschil is tussen de condensor van de eerste cyclus en de verdamper van de tweede cyclus, kunnen ultra-lage temperaturen worden bereikt. De tweede cyclus geeft deze warmte vervolgens terug aan de atmosfeer om de koelcyclus te voltooien.

Figuur: Compressor Gebaseerd Cascade Koelsysteem [1]

ULT vriezers met een compressor-gebaseerd cascade koelsysteem kunnen jaarlijks evenveel energie verbruiken als een gemiddeld huishouden in de V.S. Cascadesystemen kunnen tijdens hun levensduur meer dan 70 ton CO2 uitstoten[2], wat aanzienlijk bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Cascade-systemen gebruiken synthetische koelmiddelen die de ozonlaag aantasten. Bovenop de nadelen voor het milieu vereisen deze systemen een aanzienlijke hoeveelheid onderhoud vanwege het aantal bewegende onderdelen en de start-stop werking van de compressoren.

Onlangs zijn vriezers op de markt gebracht die gebruik maken van een Stirling-koelsysteem als alternatief voor op compressoren gebaseerde koelsystemen voor toepassingen bij ultra-lage temperaturen. Deze nieuwe vriezers zijn compressorloos en maken gebruik van een Stirling-koeler van het betatype die wordt aangedreven door een geïntegreerde lineaire motor. Het systeem bestaat uit een zuiger, die wordt bewogen door de lineaire motor, en een verdringer, die wordt bewogen door de werkvloeistof (de zuiger en de verdringer zijn niet mechanisch gekoppeld). De verdringer heeft een warme en een koude zijde, waar compressie en expansie plaatsvinden tijdens de warmteoverdrachtscyclus. De koude kant van de koeler is verbonden met een door de zwaartekracht aangedreven thermosifon waar het koelmiddel als vloeistof door de buis stroomt, de warmte van de vriezer absorbeert, overgaat in damp, de buis weer opstroomt en aan de koude kant van de Stirlingkoeler weer condenseert tot vloeistof. De zuiger/verplaatser van de Stirlingkoeler verplaatst de warmte naar de warme kant door middel van een koelmiddel en verspreidt de warmte vervolgens in de atmosfeer met behulp van een ventilator.

Figuur: Stirling koelsysteem [3]

Een Stirling koelsysteem verbruikt gemiddeld 60% minder energie dan een cascade koelsysteem. Energie- en kostenbesparingen van het vervangen van een cascadesysteem door een Stirling koelsysteem kunnen oplopen tot 75%, afhankelijk van de basisuitrusting en de bedrijfsomstandigheden. Stirlingkoelers kunnen continu moduleren, waardoor een werking tussen -20oC en -86oC mogelijk is, in vergelijking met de -60oC tot -86oC werking van cascadesystemen. Als bonus kunnen deze systemen deze graad van koeling bereiken door gebruik te maken van 100% natuurlijke koelmiddelen, waardoor er geen chemicaliën nodig zijn die de ozonlaag aantasten. Deze systemen bevatten slechts twee bewegende delen (een zuiger en een verdamper), hebben geen kleppen en geen olie- en gaslagers, wat ook de onderhoudskosten verlaagt.

Een 2015 My Green Lab Study,Market Assessment of Energy Efficient Opportunities in Laboratories[4] identificeerde dat er 440.000 tot 890.000 ULT vriezers in de VS zijn, waarvan naar schatting 58.000 alleen al in Californië. Gebaseerd op de geschatte energiebesparingen van ULT vriezers, zouden Californische laboratoria alleen al tot $59 miljoen per jaar kunnen besparen door ULT vriezers met compressor te vervangen door vriezers met Stirling koeling [3].

Een vriezer met Stirling koelsysteem werd de eerste Energy Star gecertificeerde ultra-lage temperatuur vriezer in de industrie, en zette daarmee de standaard. Sommige nutsbedrijven en instellingen betalen incentives voor vriezers met Stirling-koeling om de markt te beïnvloeden. De gezondheidszorg profiteert nu al van deze technologie.

De uitdaging: Kan deze technologie compressorgebaseerde koelsystemen voor commerciële toepassingen vervangen en moeten energie-efficiëntieprogramma's van nutsbedrijven in deze richting gaan?

Oorspronkelijk gepost hier

Verwante artikelen

1. De 4e nutsvoorziening - perslucht
2. Perslucht - Hannover Messe 2017 follow-up
3. Kunstmatige intelligentie in energiebeheersoftware

Beste ideeën voor energie-efficiëntie

Over de auteur

Ozgun is een Energy Engineer met zes jaar ervaring in energiebeoordeling, koolstofemissiereductie en hernieuwbare energiesystemen. Ozgun heeft een masterdiploma in hernieuwbare energie en een bachelordiploma in chemische technologie. Hij is een gecertificeerd energiemanager en is een LEED-geaccrediteerde professional in het ontwerpen en bouwen van gebouwen.

Bronnen

1],2,3 Stirling Ultracold, Global Cooling Inc. [4] www.etcc-ca.com/sites/default/files/reports/ceel_market_assessment_et14pge7591.pdf