Hoofdstuk 19 Koelinstallaties

Hoofdstuk 19
Koelinstallaties
Inleiding
Bijna ieder HVAC-systeem dat koeling bevat, hangt hiervoor af van een koelmachine die
ofwel ijswater of pekel koelt (indirect systeem) ofwel lucht koelt (direct systeem).
Koeltechniek is een afzonderlijke discipline van de HVAC-techniek en weinig ingenieurs
zijn expert in beiden. In het kader van deze cursus is het belangrijk dat er wordt
ingegaan op de belangrijkste technieken voor (industriële) ‘koude’ productie en dat de
interacties met bijvoorbeeld een HVAC-systeem begrepen worden.
Door de groeiende bewustwording voor milieuzorg, zijn koelsystemen in de afgelopen
jaren sterk in evolutie. Ten eerste zijn de meeste koelstoffen die schadelijk zijn voor de
ozonlaag verboden, of worden ze uitgefaseerd in gebruik. Nieuwe koelstoffen zijn
beschikbaar op de markt, waardoor het aanbod sterk is toegenomen. Ten tweede is de
energieprestatie van koelsystemen sterk verbeterd en zoeken ingenieurs door betere
integratie met passieve koeltechnieken, waardoor aanzienlijk energiebesparingen
kunnen worden gerealiseerd. Er is tevens een vernieuwde interesse ontstaan voor
absorbtiekoeling en ammoniak als koelmiddel.
19.1 Prestatie van koelsystemen
De ogenblikkelijke thermische prestatie van een koelsysteem wordt bepaald door de
Coefficient Of Performance (NL: Prestatiefactor) :
COP =
nuttig koeleffect
netto energietoevoer
(19.1)
Voor de reversibele koelcyclus (Carnot-cyclus) kan de COP worden uitgedrukt in functie
van de temperatuur. Figuur 19.1 toont deze cyclus, met als maximum temperatuur de
temperatuur in de condensor (TC) en als minimum temperatuur de temperatuur in de
verdamper (Te). De COP wordt dan (zie cursus Technische Thermodynamica) :
COP Carnot =
XIX/1
Te
Tc − Te
(19.2)
Figuur 19.1. Carnot-koelcyclus
Deze COP is de thermodynamisch maximaal mogelijke COP voor gegeven
werkingstemperaturen Tc en Te deze COP wordt dan ook de ideale COPideal genoemd.
Om een werkelijke koelmachine hiermee te kunnen vergelijken definieert met de
koelefficiëntie als :
η=
COP
COPideal
(19.3)
19.2 Theoretische cycli voor compressorkoeling
Van de drie methodes voor koeling (compressie, absorptie en thermo-elektrisch) is de
meest voorkomende methode compressorkoeling.
Een eenvoudige, geïdealiseerde voorstelling van deze cyclus is gegeven in figuur 19.2.
Zowel het T-s als het p-h diagram zijn getoond. De cyclus bestaat uit de compressie van
een gas (3-4, compressor), de condensatie van dit gas op een hoge druk en
temperatuur (4-1, condensor), de expansie over een klep van het condensaat (isentalp,
1-2, klep) en de verdamping van het ontstane gas-vloeistofmengel in de verdamper op
lage temperatuur en druk (2-3, verdamper). Deze cyclus haalt een veel lagere COP dan
een Carnot-cyclus en wel omdat er ten eerste een irreversibele expansie is van 1-2 die
geen arbeid produceert. Ten tweede gebeurt de warmteafgifte niet op constante
XIX/2
temperatuur, omdat van 4-4’ het oververhitte gas eerst tot de saturatietemperatuur moet
worden afgekoeld.
De COP kan worden uitgedrukt als
COP =
h 3 − h1
h4 − h3
Figuur 19.2. Theoretische koelcyclus
Als koeling nodig is bij extreem lage temperaturen wordt meertrapskoeling toegepast.
Hierbij zijn meerder cycli aan elkaar geschakeld en zal de verdamper van een
bovenliggende cyclus de condensor van de onderliggende trap koelen. Er zullen
verschillende koelstoffen worden gebruikt voor iedere trap. Er kan worden aangetoond
dat meertrapskoeling efficiënter is dan koeling met 1 trap over een grote
temperatuursval.
Een warmtepomp is essentie dezelfde cyclus. Hier zal echter de condensor gebruikt
worden om een lokaal te verwarmen en staat de verdamper buiten opgesteld. De COP
wordt dan afgegeven warmte betrokken op het vermogen toegevoerd aan de
compressor.
19.3 Koelmiddelen
Het fluïdum dat wordt gebruikt als werkend fluïdum in een koelcyclus wordt het
koelmiddel (E: Refrigerant) genoemd. Het koelmiddel neemt meestal warmte op terwijl
het van fase verandert (verdamping in de verdamper) en wordt dan gecomprimeerd tot
hoge druk en hoge temperatuur, waarna het inde condensor warmte zal afgeven, direct
of indirect aan de atmosfeer, of aan de te verwarmen ruimte in een warmtepomp.
XIX/3
Of een fluïdum geschikt is als koelmiddel hangt af van veel factoren, waarvan
thermodynamische, fysische en chemische eigenschappen de belangrijkste zijn, maar
eveneens veiligheid. Het relatieve belang van de verschillende karakteristieken is
afhankelijk van de situatie waarin de koelmachine wordt ingezet en er bestaat niet zoiets
als het ideale koelmiddel. Enkele karakteristieken van algemeen belang zijn:
Thermodynamische eigenschappen
1. Hoge verdampingsenthalpie : Dit zal een groot koeleffect opleveren per eenheid
van massa. Hierdoor is minder koelmiddel in de machine nodig
2. Lage bevriezingstemperatuur : Het koelmiddel mag niet vast worden in het
normale gebruiksgebied
3. Relatief lage kritische temperatuur : Anders zijn hoge vermogens nodig voor
compressie
4. Positieve verdampingsdruk : De druk in de verdamper moet boven de
atmosfeerdruk liggen om te vermijden dat lucht naar binnen zou lekken.
5. Relatief lage condensordruk: Anders zal een groot compressorvermogen en
dikke leidingwanden, dus dure leidingen nodig zijn.
Fysische en chemische eigenscheppen
1. Hoge diëlektrische sterkte van de damp: Hierdoor kunnen hermetische
compressoren worden gebruikt waarbij de damp in contact mag komen met de
motorwikkelingen
2. Goede warmteoverdrachtseigenschappen : De thermofysiche eigenschappen
(densiteit, warmtecapaciteit, thermische geleidbaarheid en viscositeit) moeten
aanleiding geven tot hoge warmteoverdrachtscoëfficiënten
3. Goede olieoplosbaarheid : olie kan oplossen en sommige koelmiddelen, en
omgekeerd. Dit kan de smering van de compressor beïnvloeden en leiden tot
olieafzetting in de verdamper. Bij ontwerp moet heirover worden nagedacht
4. Lage wateroplosbaarheid : Water in het koelmiddel kan aanleiding geven tot
bevriezing van de verdamper of corrosie in kleppen en verdamper.
5. Inert en stabiel : Het koelmiddel mag niet reageren met materialen van
compressor, leidingen, kleppen, … De chemische compositie mag niet
veranderen in de tijd (degradatie)
Veiligheid
1. Onontvlambaar : het koelmiddel mag niet zelfontbranden in lucht of brandbaar
zijn.
2. Niet-giftig : koelmiddelen mogen niet schadelijk zijn voor de mens, nog direct of
indirect.
3. Niet-irriterrend : Koelstoffen mogen niet irriterend zijn voor de mens (ogen , huid,
neus, longen)
Milieu-impact
1. Ozon depletie potentiaal (ODP E: Ozone Deplation Potential): Voor iedere
koelstof mag de ozonlaag niet aantasten
2. Opwarming van de aarde (GWP E: Global Warming Potential).Koelstoffen
mogen niet bijdragen tot het broeikaseffect (broeikasgas)
XIX/4
Verder moet een koelmiddel goedkoop te produceren zijn en eenvoudig te detecteren bij
lek.
Niet alle koelstoffen voldoen aan al deze eigenschappen. De keuze van werkingsgebied
van de gewenste koeling, legt vaak beperkingen op aan de andere voorwaarden.
Milieumaatregelen in vele landen leggen waarden vast voor milieu-impact en veiligheid.
Hierdoor zijn de laatste jaren een aantal koelstoffen verboden.
Veiligheid krijgt voor vele types producten meer en meer aandacht. Figuur 19.3 geeft
een mogelijke classificatie. De hoofdletter duidt de giftigheid aan, het cijfer de
ontvlambaarheid.
Figuur 19.3. Classificatie van koelmiddelen volgens veiligheid
Koelmiddelen worden in het algemeen geclassificeerd in vier groepen : gehalogeneerde
koolwaterstoffen
(E:
halocarbons),
gehydrogeneerde
koolwaterstoffen
(E:
hydrocarbons), organische en niet-organische koelmiddelen. Tabel 19.1 geeft een lijst
van veel voorkomende koelmiddelen.
Gehalogeneerde koolwaterstoffen zijn gedurende meer dan een halve eeuw zeer
populair geweest. In oorspong werden ze gemaakt door de Pont, die ze de merknaam
FREONEN gaf.
Gehalogeneerde koolwaterstoffen en gehydrogeneerde koolwaterstoffen zijn moleculen
met als basis methaan, ethaan, propaan en cyclobutaan.
Een betere methode is ze aan te duiden volgens de ASRAE standaard 34.
Volgens deze norm moeten koelmiddelen aangeduid worden in technische publicaties,
op kenplaatjes en in specificaties met een code.
XIX/5
Tabel 19.1. Koelmiddelen
XIX/6
De code bestaat uit een getal, voorafgegaan door de hoofdletter R, voor Refrigerant.
Het getal is opgebouwd als volgt :
1. Het eerste cijfer van rechts is het aantal Fluor atomen (F) in de molecule
2. Het tweede cijfer van rechts is 1 meer dan het aantal waterstof (H) atomen in de
molecule
3. Het derde cijfer van rechts is 1 minder dan het aantal koolstof (C) atomen in de
molecule
4. Mengsels worden aangeduid met hun respectievelijke samenstellende
component getallen en de massafracties, benoemd in volgorde van kookpunt,
bvb R-22/12(90_10)
5. Zeotrope mengsels worden aangeduid met de 400 serie en hun
mengverhouding, bvb R-400 (90_10)
6. Azeotrope mengsels zijn aangeduid met de 500 serie, zonder mengverhouding
7. Organische stoffen worden aangeduid met de 600 reeks.
8. Niet organische stoffen zijn aangeduid met de 700 waarbij hun molaire massa
wordt geteld, water is bvb 718. Bij stoffen met gelijke massa’s wordt een letter
toegevoegd om ze te onderscheiden.
9. De letter C voor het getal duidt op cyclische moleculen. Kleine letter worden
toegevoegd achter de getallen, voor isomeren, dit zijn moleculen met dezelfde
atomen, maar met andere structuur.
De hedendaagse bezorgdheid over koelmiddelen ligt vooral in de afgifte van Cl in de
hogere lagen van de atmosfeer. Deze Cl reageert met ozon (O3). De meeste
koelmiddelen zijn zeer stabiel, waardoor ze hoog opstijgen voor ze afbreken, vooral
onder invloed van direct zonlicht.
De koelmiddelen die geviseerd worden zijn de chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK) (E:
CFC, chlorofluorocarbons) Deze bevatten R11, R12, R113, R114 en R 115.
Ook andere groepen koelmiddelen bevatten chloor, maar ze bevatten ook een
waterstofmolecule in hun structuur. Deze zijn minder stabiel dan de CFK’s en zijn dus
een mindere bedreiging voor de ozonlaag. Deze zijn gekend als de hydro-chloorfluorkoolwaterstoffen (E :hydrochlorofluorocarbons), of HCFK’s, zoals R22, R123, R124,
R141b, R142b. Ook deze worden echter langzaam maar zeker verboden;
De groep van de fluorkoolwaterstoffen zijn het minst schadelijk voor de ozonlaag, omdat
ze geen chloor bevatten. Deze groep bevat R125, R134a en R152a.
Er wordt nog steeds gezocht naar goede vervangers voor deze groepen. Er zijn stoffen
beschikbaar die thermodynamisch voldoen, maar naar smeereigenschappen
onveiligheid zijn ze vaak niet evident. R134A lijkt een goede vervanger voor R12, die
vaak wordt gebruikt in kleinere machines, zoals in wagens en huishoudens. R123 wordt
aangeraden ter vervanging van R11 een zeer vaak gebruikt koelmiddel in centrifugale
compressoren.
Mengsels vinden meer en meer toepassingen. Azeotropen zijn mengsels van
verschillende
componenten
die
niet
veranderen
in
volumefracties
en
saturatietemperatuur bij verdamping of condensatie op constante druk. Zeotropen zijn
mengsels van meerdere componenten die wel veranderen in volumefracties en
saturatietemperatuur bij verdamping of condensatie op constante druk.
Zeotropen kunnen problemen opleveren voor twee aspecten. Als een deel van het
koelmiddel zou lekken uit het systeem, zal de samenstelling van de overblijvende
hoeveelheid wijzigen. Dit komt omdat de volumesamenstelling van gas- en vloeistoffase
van zeotrope mengsels anders is. Er is geen overeenstemming over het belang van
deze factor.
XIX/7
Een tweede zaak is dat de temperatuur verandert tijdens de verdamping en
condensatie. Dit wordt getoond in figuur 19.4. De glide is de absolute waarde van het
verschil tussen de temperaturen waarbij het faseveranderingsproces aanvangt en stopt.
Dit heeft een invloed op de prestatie en warmteoverdracht in d verdamper en condensor;
Figuur 19.4. Vergelijking tussen zeotroop en azeotroop mengsel
In de methaan reeks zijn er zes componenten ontvlambaar, 6 toxisch en 5 volledig
gehalogeneerd. Enkel R22 (HCFK) en R23 (HFK) hebben deze beperkingen niet. R23
wordt slechts weinig gebruikt, door zijn minder gunstige thermodynamische
eigenschappen. R22 heeft een negatieve milieu-impact en wordt door wetgeving
verboden.
In de ethaan reeks zijn enkel R123, R124, R125 en R134 partieel gehalogeneerd, die
geen ontvlambaarheids en toxiciteitproblemen hebben. R123 en 134a zijn het meest
populair en R134a zal zeker in de nabije toekomst het meest gebruikt worden; R123 is
een HCFK en zal in de toekomst moeten verdwijnen. R124 en R125 zijn minder
interessant vanuit thermodynamisch standpunt.
19.4 Componenten
Een belangrijk onderscheid tussen verschillende koelmachines is of de machine lucht
direct koelt (directe expansie, E: Direct Expansion DX) of via een tussenmedium, water
of pekel (E: chillers).
Verder dient een onderscheid te worden gemaakt tussen compressorkoeling en
absorptiekoeling.
De compressor is vanuit mechanisch oogpunt de meest complexe machine van een
koelsysteem. Er bestaan in essentie twee grote groepen compressoren :
zuigercompressoren (E: positieve displacement) en turbocompressoren (E: Dynamic
compressors). De eerste zorgen voor een drukverhoging op basis van een
volumeverandering. De tweede werken op basis van een continue impulsoverdracht,
vanuit een rotor en de omzetting van de kinetische energie in druk.
XIX/8
19.4.1 Zuigercompressoren
De meeste compressoren in koelmachines zijn enkelwerkende compressoren met een
zuiger die direct wordt aangedreven door een as bevestigd aan een krukas.
Dubbelwerkende compressoren komen zelden voor in de koeltechniek.
De compressor voor gehalogeneerde koolwaterstoffen bestaat uit drie types : open,
halfhermetisch en hermetisch. Deze laatste hebben een omhulsel dat volledig werd
dichtgelast, waardoor koelmiddel onmogelijk naar buiten kan lekken. In een open type
zal de as door een dichting in de behuizing gekoppeld zijn aan een externe aandrijving.
Ammoniak compressoren zijn vaak open types.
In hermetische compressoren zijn de motor en de compressor in een zelfde drukvat
ingesloten, waarbij de motoras direct op krukas is gemonteerd en het koelmiddel in
contact komt met de motor. Een halfhermetische compressor is niet dichtgelast, maar
toegankelijk via een plaat met bouten om onderhoud toe te laten. Figuur 15_5 toont een
principiële doorsnede van een compressor en het indicator diagram.
19.4.2 Roterende compressoren
Roterende compressoren worden gekenmerkt door het gebruik van een roterende
beweging in plaats van de op-en-neer bewegende zuiger. Er wordt een
volumeverandering gerealiseerd op een continue of discrete manier. De meeste
machines hebben een directe aandrijving.
Figuur 19.5 en 19.6 tonen twee veel voorkomende types : de roterende zuiger en de
roterende schoep compressor. Deze twee machines zijn vrij gelijkaardig qua afmetingen,
gewicht,
thermodynamische
prestatie,
toepassingsgebied,
levensduur
en
geluidsproductie.
De prestatie van de roterende compressor wordt gekenmerkt door het hoge
volumetrisch rendement, door de kleine schadelijke ruimte en dus laag reexpansieverlies. Roterende schoep compressoren hebben een goede gewichtsdebietsverhouding, wat samen met compacte vorm, ze zeer aantrekkelijk maakt voor
transport toepassingen.
XIX/9
Figuur 19.5. Roterende klep compressor
Figuur 19.6. Roterende zuiger compressor
XIX/10
19.4.3 Schroefcompressoren
Sinds de jaren 1950 zijn deze types compressoren in gebruik genomen in de
koeltechniek. De machine bestaat in essentie uit twee helicoïdaal gegroefde rotoren die
ingrijpen op elkaar. Deze zijn geplaatst in een behuizing met inlaat en uitlaat openingen.
De stroming van het gas is zowel axiaal als radiaal. Door de vorm van de lobben op de
rotoren zal de ruimte ertussen bij rotatie verkleinen, waardoor compressie plaatsgrijpt.
Omdat de aanzuig en uitblaas cyclus overlappen is er een vrij continue stroming na de
compressor.
19.4.4 Orbitale compressoren
Een type van deze reeks is de scroll-compressor. Twee spiraalvormige scrolls die in
elkaar passen en excentrisch zijn geplaatst vormen hierbij een ruimte met afnemend
volume bij rotatie van 1 van de scrolls. Ze zijn geschikt voor lage capaciteit (3.5 tot 53
kW) en in gebruik in residentiële en autotoepassingen. Verbeterde fabricage technieken
maken een zeer goede afwerking en dichting mogelijk, waardoor ze een hoog
rendement halen. Ze maken weinig lawaai. Nadelen zijn de incompatibiliteit met deeltjes
bevuiling lage prestatie bij lage drukken. Goede smering is nodig.
Typische scroll delen zijn geometrisch gematched met een montage 180° faseverschil.
Ieder scroll is gemonteerd op een dekplaat en is open naar de ander scroll toe. De twee
scrolls zijn zo gemonteerd dat er ruimtes gevormd worden tussen de dekplaten en
verschillende contact lijnen van de spiralen. Eén scroll staat vast, terwijl de andere
orbitaal roteert zodat het contact tussen de twee scrolls is gegarandeerd en de ruimte
naar het centrum toe beweegt (figuur 19.7). De ruimte verkleint op die manier en het gas
is gecomprimeerd. De meeste scroll-compressoren zijn hermetisch gesloten.
19.4.5 Centrifugale compressoren
Centrifugale compressoren, die deel uitmaken van de groep van de turbocompressoren,
zij gekenmerkt door een continue stroming, waardoor ze een groot debiet hebben. Hun
rotatie snelheid is hoog. Ze worden ingezet in de koeltechniek voor grote vermogens.
Bijna ieder koelmiddel is er voor geschikt.
19.4.6 Compressor regeling
Een compressor zal het grootste deel van hun tijd in deellast werken. Bij kleine
systemen zal de compressor gestart of gestopt worden op basis van een thermostaat in
de te koelen ruimte. Het is echter niet wenselijk grote compressoren vaak te starten en
te stoppen. In dit geval wordt een techniek die gekend staat als Compressor Unloading.
Dit wordt bereikt door toerental regeling, het deels openen van de kleppen of het
vergroten van de schadelijke ruimte. Het openen van de kleppen zal bij compressoren
met meerdere cilinders leiden tot het deels buiten gebruik stellen van de cilinder
waarvan de klep openstaat.
Meest voorkomend en het best vanuit energiestandpunt is het gebruik van
frequentiesturing. Bij heel grote systemen gebruikt men meerdere compressoren in
parallel.Een compressor wordt uitgeschakeld bij bijvoorbeeld halve capaciteit.
XIX/11
Figuur 19.7. De scroll-compressor
19.4.7 Condensors en verdampers
Deze toestellen zijn na de compressor van groot belang en nemen vaak het meeste
ruimte in. Goed ontwerp en de juiste keuze van hun vermogen is nodig voor optimale
prestatie van de hele cyclus.
De condensor moet in staat zijn bij wisselende buitentemperaturen, de warmte van de
verdamper en de energie geleverd aan de compressor af te voeren. De condensor staat
tevens onder vrij hoge druk. De condensor kan water of luchtgekoeld zijn.
Luchtgekoelde condensors zijn meestal van het buis-vin of plaat-vin type, terwijl
watergekoelde condensors vaak trommel-en-pijp-warmtewisselaars zijn.
XIX/12
Verdampers moeten warmte ontrekken, hetzij aan de lucht, hetzij aan een vloeistof. De
verdamper ontvangt meestal een tweefasig mengsel en moet licht oververhitte damp
produceren, om de compressor te beschermen. Luchtverdampers zijn vaak buis-vin
types en vloeistofverdampers zijn vaak van het trommel-en-pijp-type.
19.4.8 Regelsystemen voor koelmiddelen
Aangezien de belasting constant wijzigt in een koelmachine voor HVAC-toepassingen
zijn er regelsystemen nodig die het debiet aan koelmiddel kunnen regelen en de
componenten binnen veilige grenzen kan laten werken.
Het belangrijkste onderdeel hiervoor is de expansieklep. Deze klep heeft een grote
invloed op de goede werking van de cyclus. Soms zijn andere kleppen nodig om een
goede regeling te bekomen.
De thermostatische expansie klep stelt de klep in om het nodige koelmiddeldebiet toe te
laten in de verdamper (figuur 19.8). Een reservoir dat een weinig koelmiddel bevat is
verbonden met een kleine leiding met de bovenzijde van het diafragma van de klep. Het
reservoir is bevestigd aan de koelmiddelleiding waar het koelmiddel de verdamper
verlaat. De druk van de veer zal de klep sluiten, de druk van het reservoir de klep
openen. Het reservoir is in essentie ene temperatuurvoeler en verschillende graden van
oververhitting zullen nodig zijn om de klep te openen. Als de belasting van de verdamper
toeneemt, zal de oververhitting toenemen en zal de klep openen om meer koelmiddel
toe te laten. Als de belasting afneemt zal de klep dicht gaan, terwijl oververhitte damp
blijft verkregen worden aan de uitgang van de verdamper. Meestal wordt er 3 tot 5 °C
oververhit.
Figuur 19.8. Thermostatische expansieklep
Deze klep kan de compressor overbelasten als ze te ver open gaat. Vaak wordt een
gas-vloeistof mengsel in het reservoir gebracht. Als er veel damp is gevormd, zal de
druk nog weinig variëren op de klep, zodat ze niet veel meer zal open gaan.
XIX/13
Als het debiet over de verdamper sterk varieert zal het ladingsverlies door de verdamper
ook sterk veranderen. Dit heeft een wijziging van de saturatietemperatuur tot gevolg en
verschillende oververhittingtemperaturen zullen worden bereikt bij lage en hoge
belasting. Dit kan worden geregeld via een externe drukvereffenaar (Figuur 19.9). De
klep zal dan een druk zien bij een zelfde punt als het de temperatuur meet, en de
oververhitting zal dan gelijk zijn voor iedere druk aan de uitgang. Er kunnen meerder
kleppen worden gebruikt als de verdamper uit verschillende grote delen bestaat.
Figuur 19.9. Voeding van meerder parallelle circuits
Naast de thermostatische kleppen bestaan er ook elektrisch gestuurde kleppen, die
aangestuurd worden door de regelelektronica.
Tenslotte zal men voor kleinere systemen geen kleppen gebruiken maar capillairen. Dit
is een lange buis met kleine diamater die verdamper en condensor verbindt, wat
resulteert in een grote drukval. Het capillair laat makkelijker vloeistof de gasstroming toe.
Hoewel het capillair optimaal werk voor één enkel instelpunt, zal er slechts een klein
verlies zijn in andere werkingspunten. Het grote voordeel is de eenvoud en de lage kost.
Het is een passief onderdeel, waardoor het weinig slijtage gevoelig is. Het is echter wel
gevoelig aan verstopping.
Onderkoelde vloeistof komt het capillair binnen zoals getoond op figuur 19.10. Er is een
trage gelijkmatige drukval tot de saturatiedruk wordt bereikt. Van zodra damp wordt
gevormd zal het ladingsverlies sterk toenemen en de temperatuur in de buis snel dalen.
Het debiet in het capillair zal afhangen van het drukverschil tussen verdamper en
condensor en van de saturatiedruk waarmee de vloeistof de buis binnenkomt. Een
wijziging in verdamperbelasting die dit drukverschil vergroten of de saturatiedruk
verlagen zal zorgen voor meer debiet.
Er moet over gewaakt worden dat de juiste hoeveelheid koelmiddel in de machine wordt
ingebracht. Een deel van de regeling van het systeem steunt er namelijk op dat in
deellast de condensor deels wordt gevuld met koelmiddel, zodat minder oppervlakte
beschikbaar is voor verdamping. Als er te weinig koelmiddel is dan zal dit effect niet
werken. Bij te veel koelmiddel bestaat het gevaar dat de condensor onderloopt.
In plaats van lange capillairen wordt in residentiële en voertuigtoepassingen ook
ladingsverliezen door vernauwingen bekomen door flenzen te gebruiken.
XIX/14
Figuur 19.10. Druk en temperatuur van een koelmiddel in een capillair
19.5 Werkelijke cycli voor compressorkoeling
Figuur 19.11 toont een werkelijke compressorkoelcyclus. Over de kleppen van de
compressor bij inlaat en uitlaat zijn er in realiteit ladingsverliezen. Ook in de leidingen en
in de verdampers en condensors zijn er ladingsverliezen, die het vermogen nodig voor
het aandrijven van de cyclus vergroten en de temperaturen verhogen in de condensor.
In de verdamper verlagen ze erdoor. Bijkomende warmteoverdracht met de omgeving
zal de prestatie in het algemeen niet ten goede komen.
19.5.1 Koelmiddelleidingen
Het dimensioneren van de leidingen voor het koelmiddel is van groot belang, maar
beperkt zich tot een klassiek bepalen van ladingsverliezen. Er moet echter bijkomend
voor worden gezorgd dat smeerolie van de compressor wordt teruggevoerd naar de
compressor. De meeste olie bevindt zich in het karter van de compressor, maar een
kleine hoeveelheid kan door het systeem worden getransporteerd.
XIX/15
Figuur 19.11. Thermostatische expansieklep
19.5.2 Regeling
Regeling werd reeds besproken voor de compressor en de klep. De compressor kan
geleidelijk worden ontlast maar uiteindelijk zal de compressor toch moeten worden
stilgelegd als de belasting nagenoeg nul is. Dit kan eenvoudig gebeuren door de stroom
af te leggen. Bij zuigercompressoren kan dit problemen geven bij opstarten door het
vollopen van de compressor met koelmiddel.
XIX/16
Meestal wordt echter een pumpdown cyclus gebruikt. Figuur 19.12 toont dit systeem. De
thermostaat verlaagt het debiet op de expansieklep. Als de klep sluit valt het debiet op
nul. De compressor blijft draaien, waardoor de druk in de verdamper daalt, terwijl de
gecomprimeerde damp wordt gecondenseerd en opgeslagen in het vat. Als de druk
daalt tot beneden de instelwaarde van de drukmeter, zal deze de compressor
afschakelen. Als later de thermostaat koeling vraagt, opent de klep en start de stroming
van het koelmiddel. Hierdoor stijgt de druk. Als de druk hoog genoeg is zal de
compressor weer aanslaan op bevel van de sensor.
Een ander aspect is de variatie van de koeling van de luchtgekoelde condensor. De
ventilator van de condensor kan worden uitgeschakeld, als de compressor stopt. Dit is
en Adequaat systeem voor kleine installaties. Als de buitentemperatuur echter laag is
kan de condensordruk zo laag worden dat goede werking van de compressor in gevaar
komt. Een systeem ontworpen om te werken bij lage buitentemperaturen moet daarom
beschikken over een drukregeling. Deze regeling verlaagt het luchtdebiet van de
koellucht over de condensor als functie van de druk na de compressor. Er kunnen
kleppen worden gebruikt, maar ook frequentiesturing en vaak wordt ook gebruik
gemaakt van meerdere ventilatoren die gescheiden aan en uit kunnen worden
geschakeld.
Figuur 19.12. Koeler met vat en condensorregeling
19.5.3 Free cooling
Veel binnenruimtes vragen nog een koellast zelfs bij koude buitencondities. Als de
buitentemperatuur voldoende laag is kan worden gebruik gemaakt van free cooling (Vrije
koeling). Dit kan op drie wijzen :
XIX/17
1. Het koelfluïdum van de koeltoren direct verbinden met de koelbatterijen. Dit stuit
vaak op de beperking dat het koelfluïdum van de koeltoren verschillend is van dit
in het ijswater circuit.
2. Een extra warmtewisselaar gebruiken, meestal van het plaattype, om warmte
rechtstreeks te wisselen tussen koeltorenwater en ijswater. Figuur 19.12 toont
dit, waarbij een kleppensysteem wordt gebruikt om over te schakelen tussen
normaal bedrijf en free cooling.
3. Een kleppensysteem gebruiken om de compressor zelf te isoleren van de
condensor en de verdamper en directe warmteoverdracht tussen beide
warmtewisselaars toe te laten. Het relatief warme fluïdum in de ijswaterkring, zal
de damp verdampen in de verdamper en de energie wordt direct getransporteerd
naar de condensor. Daar wordt de damp gekoeld en gecondenseerd door het
water van de koeltoren.
Figuur 19.13. Free cooling met plaatwarmtewisselaar
19.6 Absorptiekoeling
Compressiekoeling wordt in heel veel toepassingen gebruikt. Absorptiekoeling wordt in
een kleiner aantal gevallen gebruikt, vooral daar waar een grote hoeveelheid
afvalwarmte beschikbaar is. Als de gasprijzen voldoende laag zijn in vergelijking tot
elektriciteitsprijzen, kennen gasgestookte ook een interessant gebruik. Ook voor
trigeneratie, tegelijk verwarmen en koelen met uitlaatgassen van motoren, is dit een
interessante technologie.
Figuur 19.14 illustreert het werkingsprincipe. De compressor werd vervangen door een
generator, absorber en een pomp. Een oplossing van koelmiddel en oplosmiddel
circuleren hierdoor. Het koelmiddel stroomt alleen door de condensor, verdamper en
expansieklep. Warmte wordt toegevoerd aan de generator waardoor het koelmiddel vrij
komt als gas, terwijl in de absorber wordt gekoeld om het koelmiddel te laten
absorberen. De wijze waarop dit gebeurt, hangt in sterke mate af van het
absorptiemiddel-koelmiddel paar. In praktijk zijn heel wat verdere verfijningen nodig om
XIX/18
de cyclus te doen werken. Het rendement uitgedrukt als verhouding van de onttrokken
nuttige warmte (‘koude’) tot de toegevoerde warmte is laag, maar als het over
restwarmte gaat is er geen echt probleem hiermee.
Figuur 19.14. Absorptiekoeling, principe
Figuur 19.15. Absorptiekoeling, praktisch
Figuur 19.15 toont een meer praktische uitvoeringsschema. Voor de eenvoud nemen we
aan dat het absorptiemiddel niet verdampt en dus door de condensor enkel koelmiddel
stroomt. De zwakke oplossing stroomt over een klep terug naar de absorber, terwijl via
de tussenkoeler warmte wordt overgedragen naar de sterke oplossing die naar de
generator gaat. Hierdoor wordt de warmtetoevoer verminderd naar de generator.
XIX/19
Uit de eerste en tweede hoofdwet kan worden afgeleid dat :
COP =
q& e Te (Tg − T0 )
≤
q& g Tg (T0 − Te )
(19.4)
En dus dat de maximale COP gegeven is door :
COPMAX =
Te (Tg − T0 )
Tg (T0 − Te )
(19.5)
Deze COP is het product van de COP voor een Carnot-koelcyclus werkend tussen de
temperaturen Te (koelruimte) en To (omgevingstemperatuur) en een Carnotenergiecylus werkend tussen Tg (de toevoer temperatuur van de warmte) en To.
19.6.1 Water-ammoniak absorptiekoeling
Water-ammoniak absorptiekoeling is een van de oudste koeltechnieken. Ammoniak is
het koelmiddel en water het absorptiemiddel. Omdat zowel water als ammoniak zeer
vluchtig zijn, moet de generator worden vervangen door een combinatie van een
generator met een scheidingskolom en een druppelaarscheider, zoals getoond in figuur
19.16. Zo wordt nagenoeg alle water gescheiden van de ammoniak. Er werd eveneens
een extra warmtewisselaar toegevoegd om diepere koeling in de condensor toe te laten.
Figuur 19.16. Water-ammoniak absorptiekoeling
XIX/20
19.6.2 Lithiumbromide-Water absorptiekoeling
Als het koud water boven 0°C kan blijven, zoals in de meest airconditioning systemen,
wordt de Lithiumbromide-water absorptiekoeling gebruikt. Water is hier het koelmiddel,
lithiumbromide is het absorptiemiddel. Normaliter is LiBr een vaste stof, maar gemend
met water vormt deze een vloeibare oplossing. Als aardgas goedkoop was en de
compressor koeling technisch niet zo ver stond was dit type koeling zeer populair. Door
wijzigende economische condities en de sterk verbeterde compressiekoelcycli is het
gebruik sterk afgenomen. Door de ecologische bezorgdheid over de gehalogeneerde
koolwaterstoffen is er wel een nieuwe interesse ontstaan, omdat deze cyclus geen
schadelijke gassen kan uitstoten.
Een groot voordeel is het feit dat lithiumbromide niet vluchtig is, waardoor enkel water
circuleert in de koelzijde. Dit maakt gebruik eenvoudiger en de COP hoger. Nadeel is
wel dat een vrij hoge verdampertemperatuur wordt bereikt en het systeem op lage druk
moet werken.
XIX/21