De cycle van persen/expanderen (energie erin, energie eruit) is niet anders dan elke andere Carnot cyclus zoals die ook in koelkasten wordt toegepast.


Bij samenpersen condenseert het gas. Daarbij komt de verdampingswarmte vrij.
Hetzelfde bij expansie, maar dan wordt warmte opgenomen om te verdampen. Dit gebeurt  echter bij een lagere temperatuur zodat het verschil tussen  warmte vrijgekomen - warmte opgenomen positief is en er netto warmte wordt getransporteerd van omgeving met lage temperatuur naar hoge temperatuur.
COP (Coefficient of performance) moet boven 100% uitkomen om zinnig gebruik aan te geven. Je moet minder energie in het comprimeren/expanderen stoppen dan er aan warmte energie uitkomt.
Dit is niet strijdig met de wet van energiebehoud want nergens wordt energie erbij gemaakt: het wordt alleen verplaatst.
( Q_in - Q_uit) /(E_compressie - E_expansie ) > 1

Dus de lucht die wordt samengeperst zit wel in een gesloten circuit? Zoals bij een normale warmtepomp?
En deze wordt zodanig samengeperst dat de lucht gaat condenseren?
Of wordt de lucht van buiten samengeperst?

Want je kan de lucht van buiten toch niet samenpersen en hier dan meer energie uithalen dan dat het heeft gekost om samen te persen?

De warmte transport cyclus wordt doorlopen door een afgesloten hoeveelheid lucht of koelvloeistof.  De lucht van buiten wordt niet samengeperst. Waarom zou het? Er is nogal wat buitenlucht... en waar zou dat dan heen moeten?
Een afgesloten hoeveelheid gas/vloeistof condenseert, expandeert en in dit proces heeft het warmte nodig of moet het warmte kwijt. Die warmte wordt uit de omgeving (de buitenlucht) gehaald of afgestaan (resp. buitenlucht en binnenlucht).

binnen: compressie (kost energie) maar het gas condenseert en laat condensatiewarmte vrij (warmt binnenlucht op). 
buiten: expansie (levert energie) maar gas expandeert en neemt verdampingswarmte op (koelt buitenlucht af).

De warmtepomp probeert dus, net als in een koelkast, de buitenlucht (verder) te koelen en de weggehaalde warmte in de binnenlucht vrij te laten die daardoor opwarmt.  Zo wordt buiten kouder (net als de koelkastinhoud) en binnen warmer (net als de keuken waarin de koelkast staat)

 dag Lucas,

Neem eens zo'n klein fietspompje, en dan goed hard je band oppompen. Voel maar eens goed aan het uiteinde van dat pompbuisje.

door samenpersen (druk verhogen) oefen je arbeid uit op het gas, en die energie wordt voor een deel potentieel (lucht op een hogere druk dan de omgeving), maar ook voor een deel warmte. Niet voor niets zitten er koelribben op de compressor van een persluchttankje:


Warmte kun je afstaan aan CV-water, en met die potentiële energie kun je een turbine aandrijven.
De inmiddels aan het CV-water afgekoelde lucht wordt nog verder afgekoeld daarbij (expansie, daar gebeurt dus het tegengestelde van wat bij samenpersen gebeurde) en die lucht gaat dus naar buiten op een temperatuur lager dan dat hij binnen gezogen is. 


Het bedrijf zet een COP van 2 in de folder. Dat is niet erg indrukwekkend trouwens. Voor elektriciteit opgewekt met windmolens maakt dat niet veel uit, maar als het van een gascentrale moet komen kun je net zo goed een gewone CV laten draaien. Want een gascentrale maakt van twee joule uit gas één joule elektra, en dit ding maakt dan van die ene joule elektra weer terug twee joule warmte. 

Groet, Jan

Dus uit jouw reactie Jan, begrijp ik dat er wel lucht van buiten samengeperst wordt? 
Maar is het dan zo dat wanneer de lucht expandeert, verder afkoelt dan hoeveel hij opgewarmd werd door het samenpersen? 

En heeft lucht comprimeren en expanderen dan exact hetzelfde effect als condenseren en verdampen?

 Ja.
Als je toch moet ventileren zou je ook 'vuile" lucht uit het huis zelf kunnen meenemen, maar ik zie zo gauw niet of ze dat ook doen. 

Nee,, MAAR een groot deel van die warmte van het samenpersen heb je inmiddels overgedragen op het CV-water. Stel het je voor dat je CV-water langs de koelribben van het eerder genoemde compressortje stroomt. Daarna expanderen, langs een turbine met dynamo, uiteindelijk effect is dat de lucht veel kouder naar buiten gaat dan hij binnen kwam. 

 Eigenlijk wel ja. Maar, je gebruikt de cyclus heel anders. Als je daarbij gaat tot en met de fase-overgang (zoals in een gewoon koelsysteem) kun je per hoeveelheid door de compressor samengeperste stof veel meer energie meenemen: verdampen kost veel energie per kg. 

Groet, Jan

Oke de lucht koelt verder af tot de temperatuur waarmee het binnen kwam, door het afstaan aan cv water en daarna te expanderen (Joule-Thomson effect heet dit toch?) 
Maar is het niet zo dat de vrijgekomen energie gelijk is aan de arbeid die je hier (elektrisch) hebt ingestopt?

 nee, want de binnengehaalde lucht gaat kouder naar buiten dan ze binnenkwam. 

De warmte die vrijkomt bij compressie gebruik je om je cv-water op te warmen. De samengeperste lucht die je nog hebt gebruik je om een turbine aan te drijven die een deel van de elektrische energie voor je compressor teruggeeft. De lucht met een daardoor intussen geringere energie-inhoud loos je buiten. Als het ware "Afvalkou". 

Ik snap nog steeds niet waaruit blijkt dat de extra energie uit de lucht wordt gehaald. Je hebt de lucht namelijk eerst opgewarmd en onder druk gebracht.
De warmte haal je eruit en laat het afkoelen tot de temperatuur van het retourwater van de cv.
En dan laat je het expanderen zodat de lucht kouder wordt, maar deze expansie was niet mogelijk als je er geen arbeid in had gestopt om het op druk te brengen.
Bij een normale warmtepomp wordt de lucht niet eerst opgewarmd maar er wordt juist warmte uit getrokken.

Stel ik pers lucht in een tank. Tank staat onder druk en de lucht die erin zit wordt warm. Ik laat de tank een paar uur staan totdat de temperatuur gelijk is aan de omgeving. Daarna laat ik de lucht expanderen tot atmosferische druk, de lucht wordt nu afgekoeld tot een temperatuur onder de omgevingstemperatuur. Maar de arbeid die hiervoor nodig was heb ik er toch allemaal elektrisch ingestopt?
Dat de lucht afkoelt is dan toch bijzaak?

Ik zal het ongetwijfeld verkeerd zien, maar het plaatje klopt gewoon niet in mijn hoofd.

 

 
Rekenvoorbeeld dan. De getallen gaan niet kloppen, maar zijn voor de idee. 
Ik haal lucht met een temperatuur van +10^oC binnen
ik gebruik een compressor die 1 kWh uit het stopcontact trekt.
Die comprimeert de lucht die daarbij een temperatuur van +80^oC haalt, en een druk van 10 bar.
1 kWh warmte wordt overgedragen aan het cv-water, de lucht daalt daarbij  in temperatuur tot de zoldertemperatuur van 15^oC en een druk van 8 bar.
die voorraad perslucht gebruik ik om een turbine met dynamo aan te drijven. Dat levert 0,5 kWh stroom, die ik weer naar mijn compressor stuur. De arbeid door de lucht uitgeoefend op de turbine door expansie doet de temperatuur van die lucht fors dalen. 
Geëxpandeerde lucht van -20^oC loos ik op de buitenlucht.

IN: lucht van 10^oC en 1 kWh elektrisch
UIT: water met + 1 kWh warmte, lucht van -20^oC en 0,5 kWh elektrisch

netto:
IN: lucht van 10^oC en 0,5 kWh elektrisch
UIT: water met + 1 kWh warmte, lucht van -20^oC 

Ik haal dus een halve kWh uit het stopcontact, en een halve kWh uit de afkoeling die de lucht in dit proces ondergaat. 
Netto heb ik met 0,5 kWh elektrisch 1kWh aan warmte aan mijn cv-water toegevoegd. 

---------------------------------------------------------
Lucas

Stel ik pers lucht in een tank. Tank staat onder druk en de lucht die erin zit wordt warm. Ik laat de tank een paar uur staan totdat de temperatuur gelijk is aan de omgeving. Daarna laat ik de lucht expanderen tot atmosferische druk, de lucht wordt nu afgekoeld tot een temperatuur onder de omgevingstemperatuur. Maar de arbeid die hiervoor nodig was heb ik er toch allemaal elektrisch ingestopt?
Dat de lucht afkoelt is dan toch bijzaak? 
---------------------------------------------------------------------------------------

 nee, dat is juist de hoofdzaak: Die warmte gebruik je. Dàt is je opbrengst. Door de gebruikte  lucht terug te laten expanderen (ten koste van zijn eigen warmte, geen omgevingswarmte) via een turbine met dynamo reduceer je de compressiekosten. 

Ik probeer het echt te begrijpen, maar het lukt nog niet helemaal.

Hoe ik het voor me zie (getallen voor het idee):
Je trekt voor het samenpersen 1kWh uit het stopcontact.
Een deel van die energie wordt opgezet in warmte en deel van de energie zit nu (kinetisch?) potentieel in de samengeperste lucht. Laten we zeggen 50-50.
0,5kWh van de warmte wordt afgegeven aan het CV water, en 0,5kWh van de potentiele energie in de samenpgeperste lucht gaat nu een dynamo aandrijven, welke misschien 80 procent rendement heeft en dus maar 0,4kWh wordt terug gewonnen. 
in: 1kWh, uit: 0,9kWh.

Oke, de lucht koelt hierbij door het expanderen af: Bijvoorbeeld van 30 graden naar 0 graden, maar hoe komt de energie van deze dT dan in het CV water?

Pak je cijfertjes gerust iets optimistischer, want dat is de praktijk. Hoe de tienden verdeeld zijn, geen idee, zoals ik al zei:  "De getallen gaan niet kloppen, maar zijn voor de idee. " Daarvoor zou je bij de fabrikant moeten zijn. 

 

De warmte van het compressiedeel gaat naar je cv. 
De warmte van de expansie is voor de turbine/dynamo

maar als een paal boven water:
- je  haalt "a" warmte uit je elektra
- en je haalt "b" warmte uit een portie buitenlucht. 
opgeteld is "a + b" hoe dan ook MEER dan "a" .
Deze mensen beweren een COP van 2, kortom a ≈ b. Vind ik geen onmogelijke zaak. . 

groet, Jan

Je haalt "a" warmte uit je elektra, maar niet heel die 1kWh wordt toch omgezet in 1kWh aan warmte? De lucht is immers ook onder druk gezet, dat kostte toch ook energie?

Is het dan zo dat er meer lucht uit gaat dan er samengeperst werd omdat de lucht is afgekoeld?
Wanneer de warmte uit de samengeperste lucht is gehaald, dan daalt evenredig de druk toch juist?

 gesteld dat ze eerst de hete lucht in een tank opslaan dan is die bijvoorbeeld 80°C (350 K) en 10 bar
koelt die lucht terug af naar 20 °C (290 K) dan zakt de druk terug naar 290/350 x 10= nog steeds hoge druk

Juist, dan heb je nog circa 8,2 bar over.
Dus van die 100% aan energie uit het stopcontact, is dan toch 82 procent gaan zitten in luchtdruk, en 18 procent in warmte.
Met die 82 procent drijf je een dynamo aan, stel deze heeft 100 procent rendement, dan kom je toch weer op 100 procent rendement (COP1).
Ik snap dat de lucht afkoelt door het expanderen, en dat het temperatuursverschil energie is. Maar ik snap nog steeds niet hoe deze energie uiteindelijk teruggewonnen wordt of in het cv water gaat zitten.

 nee, want er gaat wellicht meer energie zitten in het opwarmen van die lucht dan in het op druk brengen. Als je daaraan gaat meten kan dat best 60/40 zijn, of 70/30. 

Wat je kunt bereiken is apparaat-afhankelijk. Hoe goed krijgen ze die warmte-overdracht enz technisch voor elkaar. Voor die cijfers moet je bij de bouwers zijn. 

het resultaat is simpel: Er komt 1 kWh elektrisch in, die warmte heb je beschikbaar, en het proces leidt er ook toe dat er warmte uit lucht gehaald wordt. Het totaal is meer dan 1 kWh. 

Welke cijfers precies op welk deel van het proces kunnen worden geplakt is een kwestie van installatietechniek  en meet-en regeltechniek. 

Vraqgen we ons ook af: 

 is dat wel zo? Want dit principe is niet wezenlijk verschillend. Dus, kijk nog eens goed naar de overeenkomsten koelkast andersom, en deze Tarnoc. Krek eender, alleen, dit Tarnoc-apparaat haalt de warmte rechtstreeks uit de lucht in plaats van via het tussenmedium koelvloeistof. 

"is dat wel zo? Want dit principe is niet wezenlijk verschillend. Dus, kijk nog eens goed naar de overeenkomsten koelkast andersom, en deze Tarnoc. Krek eender, alleen, dit Tarnoc-apparaat haalt de warmte rechtstreeks uit de lucht in plaats van via het tussenmedium koelvloeistof."

Een warmtepomp transporteert de energie, dus wanneer er 500 kuub lucht langs de verdamper stroomt, en deze koelt 7 graden af, dan neemt het 500 x 7 x 1,29 = 4515kJ aan energie op.
Binnen in de condensor condenseert het weer en wordt het weer afgegeven. Ik vind me dit gewoon makkelijker voor te stellen. De vloeistof verdampt en hiervoor is warmte nodig welke hij uit de lucht haalt. Ik snap dat deze energie dus uit de lucht komt. 

Het gaat mij ook niet om de precieze cijfers, ik snap alleen niet dat als de lucht afkoelt door expansie, dan wil deze toch juist warmte uit de omgeving opnemen? Maar het is juist deze lucht die de warmte afgeeft? Dit stukje krijg ik niet kloppend.

Je brengt de lucht op druk, oke.
Het wordt warm, oke.
Je wisselt deze warmte met het cv water, oke.
Maar dan: Je laat de lucht door een turbine gaan waardoor er 2x zoveel energie uitgehaald wordt dan wat je er in stopt. Terwijl deze lucht eerst gewoon op druk gebracht moest worden.

Stel ik zou de warmte van mijn compressor opvangen, en ik spuit de koude geëxpandeerde lucht de schuur uit. Dan gaat er ook 'warme' buitenlucht in, elektrische energie in, warmte wordt opgevangen, en koude lucht de schuur uit. Maar dat betekent niet dat ik ineens meer energie aan warmte heb dan dat er elektrisch in gaat.

Ik citeer van wikipedia: "Als een gas expandeert, neemt de gemiddelde afstand tussen de moleculen toe. Als gevolg van de vanderwaalskrachten veroorzaakt de expansie een toename van de potentiële energie van het gas. Indien er geen arbeid verricht wordt en geen warmte afgevoerd wordt, zal de totale hoeveelheid energie gelijk blijven als gevolg van de wet van behoud van energie. De toename van potentiële energie veroorzaakt dus een afname van kinetische energie en daardoor een daling van de temperatuur."

Dus zoals ik begrijp, wordt de lucht kouder, maar er blijft dus evenredig minder kinetische energie over voor het aandrijven van de turbine? 

 kan ook gewoon uit zichzelf hoor, adiabatisch zogezegd. Door de bouw van het apparaat bepaal je waar de expanderende lucht eventueel warmte vandaan kan halen, en hoe snel. Als je die spuitmond (expansieventiel) die tegen de turbine aan blaast lekker inpakt is de enige warmtebron het expanderende gas zelf. Dat dan ook steenkoud wordt daarbij, en via een geïsoleerde uitlaat terug naar buiten gaat. Zo heb je wel lol van de ontstane beweging, maar geen last van de ontstane kou. 

Bij een warmtepomp zet je immers ook niet de verdamper of het expansieventiel daarvan aan de huiszijde van het apparaat 

Maar waar zit de winst datn. Om de warmte uit deze lucht te halen moest het toch eerst op druk gebracht worden.
Ik zie even niet hoe dit temperatuurverschil winst is.

"De toename van potentiële energie veroorzaakt dus een afname van kinetische energie en daardoor een daling van temperatuur, zodat de totale energie gelijk blijft als gevolg van de wet van behoud van energie"

Dus de lucht is kouder, maar er blijft toch ook minder kinetische energie over voor het aandrijven van de dynamo?

 maar dat is toch bij een warmtepomp of koelkast geen fractie anders? Daar pers je je koelgas samen, dat wordt een heet gas en die warmte haal je eruit in een radiator.  Bij een koelkast is dat afval. Warmte uit de yoghurt en cola in je koelkast, plus de door de compressor geproduceerde warmte.

Leg dit weg en kijk er over een week of zo nog eens even met een fris hoofd naar. Want geen beetje disrespect bedoeld, maar er hebben zich een of twee ideefixes in je hoofd vastgezet. We komen geen meter verder. 

En teken dan over een week het proces eens in een blokschema, met stof/energiestromen.

Groet, Jan

Je hebt gelijk met je ideefixes hoor. Ik denk dat ik nu iets verder gekomen ben.
Je perst de lucht samen, je haalt de warmte uit de lucht en daardoor gaat de lucht kouder naar buiten. Op deze manier is er dus warmte uit de lucht gehaald. Zou je de lucht samenpersen en zonder warmte te wisselen met het cv water weer laten expanderen dan zou de lucht dus weer even warm zijn als dat het aangezogen is. Maar omdat je de warmte nu eruit hebt gehaald gaat de lucht kouder naar buiten, klopt dit?
Met de lucht die naar buiten gaat, de kinetische energie die anders buiten weer omgezet had geworden in warmte(?) drijf je een dynamo aan, en dit is je winst.
Zit ik nu goed?

Eigenlijk hetzelfde als met een turbo van een auto en zijn uitlaatgassen, en precies hier had ik ook altijd moeite mee om te begrijpen dat er geen extra energie uit het niets is ontstaan. Soms heb ik zo'n brainfart.

 

Ja, dat klopt, en ja, nu zit je goed. 

Je haalt warmte uit elektriek, en uit lucht die kouder buitengaat dan binnenkomt. Hoeveel procent bij welke stap in wat wordt omgezet, geen idee, dat ga je moeten meten aan het apparaat zelf, de hierboven genoemde cijfers zijn een voorbeeld van hoe het misschien zou kunnen zijn. De bouwers van dat apparaat gaan je dat vast wèl kunnen vertellen. 

Groet, Jan

Bedankt voor je geduld.

Wat ik me dan nog wel afvraag.
Als we de dynamo even buiten beschouwing laten. Zou het natuurkundig dan ook mogelijk zijn om meer dan 1kWh warmte uit de lucht te halen als we voor het samenpersen 1kWh elektriciteit hebben gebruikt? Of kan dit dan nooit meer dan 1kWh zijn?

Jan's theoretische beschouwing hierboven klopt natuurlijk, maar... wat koop je ervoor? Anders gesteld: je laat de lucht uit de turbine door adiabatische decompressie afkoelen, maar waar ga je met die vrijkomende warmte naartoe? In de verdamper van een warmtepomp (= gesloten systeem) is dat helder, het nu gasvormige, koude koelmedium neemt de omgevingswarmte op. Hier kan dat met de koude lucht ook evt. gebeuren, maar als die lucht niet wordt gerecirculeert naar de ingangscompressor, levert dat binnen het proces geen winst op... In ieder geval is uit de beschrijving van Tarnoc niet duidelijk dat die lucht wél wordt gerecirculeerd, integendeel, gesuggereerd wordt dat dat niet het geval is. Als dat wel zo is zou het tevens voor de hand liggen dat er gesproken zou worden van een gesloten Brayton cyclus. Maar ook dat is niet het geval.

Overigens spreekt het TU Delft artikel van een Brayton cyclus zoals bij de luchtbehandelingsinstallatie in vliegtuigen. Dat is onjuist, die luchtbehandelings installaties werken op het Bell-Coleman principe, en dat is nu juist het omgekeerde van een Brayton cyclus... 

Ter aanvulling: in een video op deze webpagina wordt gezegd dat de turbineketel "een nieuw soort warmtepomp is". Nu werken warmtepompen natuurlijk altijd met een closed loop van het koudemiddel. Aangenomen mag toch worden dat de spreker/ontwikkelaar van de Tarnoc dat ook weet. Op de Tarnoc website wordt ook het begrip Warmtepomp gebruikt, maar onder "hoe werkt de turbine ketel" staat:

Een elektromotor aangedreven compressor zuigt de buitenlucht, via de inlaat, naar binnen en comprimeert de lucht. De compressie genereert warmte om het water te verwarmen tot maximaal 80°C. De energie uit de gecomprimeerde lucht wordt vervolgens teruggewonnen via de turbine. Tot slot verlaat de koude lucht, via de uitlaat, de woning.

Hoe je het ook wendt of keert, hier wordt een open systeem beschreven, waarbij een COP = 2 ten ene male onmogelijk is!!

Het beschreven systeem is een warme lucht CV ketel, waarbij een deel van de restwarmte na de warmtewisselaar wordt gebruikt om een hete-lucht turbine aan te drijven die aan een generator is gekoppeld. Feitelijk een andere vorm van warmte kracht koppeling dus, met een turbo i.p.v. een stirling motor! En dus géén COP > 1!!