Drogen en verwarmen met een warmtepomp

Hoe werkt een warmtepomp?

Een warmtepomp werkt net als een koelkast. De koelkast onttrekt op een lage temperatuur warmte aan de ruimte in de koelkast en staat die warmte bij hoge temperatuur af aan de ruimte waarin de koelkast staat. Een warmtepomp onttrekt, bij een lage temperatuur, warmte aan de omgeving en geeft deze warmte bij een hogere temperatuur af aan een ruimte. In beide gevallen moet energie worden toegevoerd. De benodigde energie kan zowel mechanisch (compressiewarmtepomp) als thermisch (absorptiewarmtepomp) worden geleverd.

De term warmtepomp wordt gebruikt als warmteafgifte op een hoog temperatuurniveau het doel is. Is warmteonttrekking op een laag temperatuurniveau het doel, dan is het een koelmachine.

Techniek van de warmtepomp

De werking van de warmtepomp berust op het verschijnsel dat de kooktemperatuur van een vloeistof afhankelijk is van de druk waaronder die vloeistof zich bevindt. Bij lage druk ligt het kookpunt lager dan bij hogere druk. Bij lage druk begint een vloeistof bij lagere temperatuur te verdampen tot een gas, terwijl bij hoge druk dat pas bij een hogere temperatuur gebeurt. Voor condenseren van een gas tot een vloeistof geldt hetzelfde. Dit verschijnsel wordt in een warmtepomp toegepast voor het "oppompen" van warmte van een lage temperatuur naar een hoge temperatuur.

De figuur geeft het principe van een warmtepomp. In het blauwe gedeelte zit een vloeistof onder een lage druk. De vloeistof verdampt in de verdamper; en neemt daarbij, via een warmtewisselaar, warmte uit de omgeving van de verdamper op. De damp wordt in de compressor, die aangedreven wordt door een elektromotor, in druk verhoogd. De damp condenseert vervolgens in de condensor en staat daarbij, via een warmtewisselaar, de warmte op een hogere temperatuur aan de omgeving van de condensor af. Dit is het rode gedeelte in de tekening. De vloeistof wordt vervolgens in het smoorventiel in druk verlaagd. In de verdamper begint het hele proces dan opnieuw. Het resultaat is dat de warmte, die door de verdamper is opgenomen bij een lage temperatuur, bij de condensor op een hoge temperatuur weer wordt afgegeven.

De vloeistof, het werkmedium in de warmtepomp, wordt zo gekozen dat zijn kookpunt bij lage druk iets onder de omgevingstemperatuur van de verdamper en bij hogere druk iets boven de omgevingstemperatuur van de condensor ligt. Met de elektromotor wordt energie in de vorm van compressie-energie aan het systeem toegevoerd.

Installatie

Een compressiewarmtepomp bestaat uit twee warmtewisselaars (de verdamper en condensor), de compressor en het smoorventiel. Bij een elektrische compressiewarmtepomp wordt de compressor door een elektromotor aangedreven; in sommige gevallen wordt hier een gasmotor voor gebruikt. De warmte die aan de condensor wordt afgegeven is theoretisch de som van de warmte die bij de verdamper wordt opgenomen en de energie die aan de elektromotor wordt toegevoerd. In praktijk is dat lager vanwege de verliezen in de elektromotor, de compressor en het smoorventiel.

Als vloeistof in de warmtepomp worden verschillende werkmedia gebruikt. Een werkmiddel is ammoniak. Andere nog veel voorkomende werkmedia zijn de zogenaamde cfk's (chloorfluorkoolwaterstoffen) en hcfk's (hydrochloorfluor-koolwaterstoffen). Deze middelen mogen nu niet meer worden toegepast vanwege de nadelen voor het milieu. Ze dragen bij aan het broeikaseffect en hebben een nadelige invloed op de ozonlaag. Nieuwe installaties moeten vrij zijn van cfk's en hcfk's. In de koelwereld en bij de warmtepompleveranciers wordt naarstig gezocht naar goede alternatieven voor de (h)cfk's. Een tendens is dat teruggekeerd wordt naar een oud koelmiddel als ammoniak en dat daarnaast andere alternatieven worden overwogen als propaan, butaan en koolzuur.

Voor- en nadelen

Toepassingen

De belangrijkste industriële toepassingen van de warmtepomp zijn:

• drogen van producten en materialen
• terugwinnen van warmte
• verwarmen van ruimten

Bij gebouwen wordt de warmtepomp ook toegepast voor verwarmen van woningen, kantoren en bedrijfsruimten al of niet in combinatie met warmte- en koude-opslag.

Links voor aanvullende informatie