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
