Gascooler in een CO2-installatie

Een gascooler is een warmtewisselaar aan de hogedrukzijde van een transkritisch CO2-koelsysteem. De functie is dezelfde als die van een condensor in een conventioneel systeem: warmte afvoeren die het koudemiddel heeft opgenomen uit de gekoelde ruimte.
Het fundamentele verschil is dat CO2 bij de hoge drukken en temperaturen waarop transkritische systemen opereren, boven zijn kritisch punt bevindt. Het kritisch punt van CO2 ligt bij 31,1°C en 73,8 bar. Boven dit punt bestaat er geen onderscheid meer tussen vloeistof en gas; CO2 bevindt zich in een zogeheten superkritische toestand. Er is geen condensatie mogelijk.
In de gascooler koelt het superkritische CO2 af van een hoge temperatuur (vaak 80–120°C na de compressor) naar een lagere temperatuur, zonder dat er een faseovergang plaatsvindt. Het blijft gas; vandaar de naam gascooler.

Het verschil zit hem niet zozeer in de constructie; beide zijn warmtewisselaars; maar in de thermodynamische processen die erin plaatsvinden.

Het glijdende temperatuurverloop in de gascooler is een belangrijk verschil. Bij een condensor geeft het koudemiddel warmte af bij een vaste condensatietemperatuur. In de gascooler daalt de CO2-temperatuur geleidelijk van hoog naar laag; dit biedt mogelijkheden voor warmteterugwinning over een breed temperatuurbereik.

In een transkritisch CO2-systeem doorloopt het koudemiddel de volgende stappen:

1. De compressor comprimeert het CO2 tot hoge druk (80–130 bar) en hoge temperatuur
2. Het hete, superkritische CO2 stroomt door de gascooler
3. In de gascooler geeft het CO2 warmte af aan de buitenlucht (of aan een ander medium bij warmteterugwinning)
4. Het afgekoelde, nog steeds superkritische CO2 stroomt door het expansieventiel
5. Bij expansie daalt de druk snel onder het kritische punt; het CO2 wordt een natte damp in het twee-fasengebied
6. In de verdamper neemt het CO2 warmte op uit de gekoelde ruimte en verdampt het volledig
7. De compressor zuigt het gasvormige CO2 aan en de cyclus herhaalt zich

De druk na de gascooler, de zogenoemde hogedruk of gascoolerdruk, is een kritische regelparameter. Anders dan bij een condensor, waarbij de druk direct gekoppeld is aan de condensatietemperatuur, kan de hogedruk bij een transkritisch systeem binnen zekere grenzen vrij worden ingesteld. De optimale druk hangt af van de buitentemperatuur en wordt actief geregeld door de installatie.

Net als bij condensors zijn er twee hoofdtypen gascoolers: luchtgekoeld en watergekoeld.

Luchtgekoelde gascooler

De meest gebruikte uitvoering. Het CO2 stroomt door een buizenpakket met lamellen, koellucht wordt er door ventilatoren doorheen geblazen. Dit type is compact, relatief goedkoop en eenvoudig te installeren.
Het nadeel is de afhankelijkheid van de buitentemperatuur. Hoe warmer de buitenlucht, hoe minder effectief de warmteafgifte en hoe hoger de benodigde gascoolerdruk; wat het energieverbruik verhoogt. Bij hoge buitentemperaturen (zomerse omstandigheden) is een luchtgekoelde gascooler minder efficiënt dan in de winter.

Watergekoelde gascooler

Hierbij wordt het CO2 gekoeld door water in een plaatof buiswarmtewisselaar. Water heeft een hogere warmtecapaciteit dan lucht en is minder afhankelijk van de buitentemperatuur, waardoor de gascoolerdruk stabieler blijft.
Watergekoelde gascoolers worden toegepast in combinatie met koeltorens, droge koelers of directe wateraansluiting. Ze zijn efficiënter dan luchtgekoelde uitvoeringen, maar vereisen een watercircuit en meer onderhoud (legionellapreventie, waterbehandeling).

Adiabatische koeling

Een tussenoplossing is de adiabatische gascooler, waarbij de inkomende lucht wordt bevochtigd voor het de warmtewisselaar bereikt. Door verdamping koelt de lucht extra af, wat de effectiviteit verhoogt bij hoge buitentemperaturen; zonder een volledig watercircuit.

De buitentemperatuur heeft bij CO2-systemen een groter effect op de systeemefficiëntie dan bij conventionele installaties. Dit komt door het transkritische werkgebied.
Bij lage buitentemperaturen (onder circa 10–12°C) kan het CO2 in de gascooler zover afkoelen dat het onder het kritisch punt komt. Het systeem gaat dan subcritisch werken; het CO2 condenseert alsnog. In dat geval gedraagt de installatie zich als een gewone koelinstallatie met condensatie. Dit is gunstiger voor het rendement.

Bij hoge buitentemperaturen blijft het systeem transkritisch. De hogedruk wordt dan via een regelklep op de optimale waarde gehouden. Een te lage hogedruk geeft weinig enthalpieverschil over het expansieventiel en dus weinig koelcapaciteit; een te hoge druk kost onnodig compressorarbeid. De optimale gascoolerdruk bij transkritisch bedrijf kan worden bepaald met de formule van Liao, die rekening houdt met de gascooleruitlaattemperatuur.
Dit maakt de regeling van een CO2-installatie complexer dan die van een conventioneel systeem, maar moderne regelaars doen dit volledig automatisch.

Een bijzonder voordeel van de gascooler is het temperatuurverloop van het CO2. Omdat het CO2 geen vaste condensatietemperatuur heeft maar geleidelijk afkoelt van hoog naar laag, is er warmte beschikbaar op verschillende temperatuurniveaus.

Dit maakt de gascooler zeer geschikt voor warmteterugwinning:

• Hoge temperatuur (60–80°C): geschikt voor tapwater, ruimteverwarming of industriële processen
• Lage temperatuur (20–40°C): geschikt voor vloerverwarming of voorverwarming

Bij supermarkten wordt warmteterugwinning uit de gascooler steeds vaker toegepast voor ruimteverwarming en warmwatervoorziening. Dit verhoogt de totale energie-efficiëntie van het systeem aanzienlijk.

Net als een condensor vraagt de gascooler om regelmatig onderhoud:

• Reinigen van de lamellen bij luchtgekoelde uitvoeringen: stof, vuil en insecten verslechteren de warmteoverdracht
• Controleren van ventilatoren op werking, slijtage en stroomopname
• Controleren op lekken aan de CO2-zijde; de hoge werkdrukken maken goede lekcontrole essentieel
• Waterbehandeling bij watergekoelde uitvoeringen ter voorkoming van kalkaanslag en bacteriegroei
• Controleren van de regelklep (hogedrukklep) op correcte werking

Een vervuilde of slecht werkende gascooler heeft direct gevolg voor de hogedruk en daarmee voor het energieverbruik van de gehele installatie.

Wat is het verschil tussen een gascooler en een condensor?
In een condensor condenseert het koudemiddel: het gaat van gasvormig naar vloeibaar. In een gascooler treedt geen condensatie op; het CO2 blijft superkritisch en koelt af als gas. Dit treedt op bij CO2-systemen die transkritisch werken, boven het kritische punt van CO2 (31,1°C, 73,8 bar).

Waarom heeft een CO2-installatie een gascooler en geen condensor?
Omdat CO2 bij de hoge werkdrukken van een transkritisch systeem boven zijn kritisch punt bevindt. Boven dit punt kan een stof niet meer condenseren; er is geen onderscheid meer tussen vloeistof en gas.

Wat is de optimale druk in een gascooler?
De optimale hogedruk hangt af van de uitlaattemperatuur van de gascooler en wordt bepaald door de buitentemperatuur. Moderne CO2-regelaars berekenen en regelen deze druk automatisch voor maximale efficiëntie.

Kan een gascooler worden ingezet voor warmteterugwinning?
Ja. Doordat het CO2 geleidelijk afkoelt van hoge naar lage temperatuur, is warmte beschikbaar op verschillende niveaus; geschikt voor tapwater, ruimteverwarming en industriële toepassingen.