verhitten; Werking van koelinstallaties

C.V.I. § 8.3 Koelen / verhitten; Werking van koelinstallaties

8

KOELEN / VERHITTEN

8.3 WERKING VAN KOELINSTALLATIES

Auteur : P.G.H. Uges

10 juni 1996

blad 1 van 17


I NHOUDSOPGAVE

2

1

INLEIDING

3

2

COMPRESSIE KOEL- EN VRIESINSTALLATIE

3

2.1

Werkingsprincipe van een compressie koelen vriesinstallatie

3

2.2

Basisbegrippen

5

2.3

Directe verdamping

6

2.4

Rondpompsystemen

7

2.5

Tweetraps-systemen

8

2.6

Directe of indirecte koelsystemen

8

2.7

Energie

9

2.8

Coëfficiënt Of Performance (COP)

10

2.9

Total Equivalent Warming Impact (TEWI-waarde)

11

3

ABSORPTIE KOELINSTALLATIE

11

4

KOUDEMIDDELEN

12

5

NORMEN EN RICHTLIJNEN VOOR KOELINSTALLATIES

13

6

ONDERHOUD EN CONTROLE

14

7

TEMPERATUURBEHEERSING

15

8

VOCHTBEHEERSING

16

9

LITERATUUR

17

blad 2 van 17


1

INLEIDING

Een koel- of vriesinstallatie onttrekt warmte aan lucht, vloeistoffen, produkten en dergelijke. De onttrokken warmte wordt door de koelinstallatie op een hoger temperatuurniveau gebracht en afgevoerd naar de buitenlucht (luchtgekoeld) of naar koelwater (watergekoeld). Koelinstallaties kunnen worden onderverdeeld in een tweetal systemen die, qua principe van koude-opwekking, sterk verschillen. Dit zijn respectievelijk: C Koelinstallaties gebaseerd op de compressie van een koudemiddel (compressie-systeem). Een nadere uitleg van de werking van dit type installaties volgt in §2 van dit hoofdstuk. C Koelinstallaties gebaseerd op de absorptie van een koudemiddel (absorptie-systeem). De absorptie-systemen worden nader toegelicht in §3. De compressie-koelsystemen kunnen op hun beurt verder worden onderverdeeld in: C Systemen met directe verdamping of expansie van het koudemiddel. Deze systemen worden toegelicht in §2.3. C Rondpomp-systemen. Deze worden in de koeltechniek ook wel natte systemen genoemd. Een nadere bespreking hiervan volgt in §2.4. Als men naar de ‘koude’ output zijde van de installatie kijkt kan men voorts een onderscheid maken tussen een installatie met directe en indirecte koeling. Men spreekt van directe koeling, wanneer de verdamper op een directe wijze de warmte onttrekt aan omgevingslucht of produkt, bijvoorbeeld een luchtkoeler in een koelcel of contactplaten met koudemiddel in een platenvriezer. Van indirecte koeling is sprake wanneer de te koelen stof door middel van een tussenstof (koudedrager) wordt afgekoeld. Dit zijn bijvoorbeeld installaties die werken met intermediaire koudedragers zoals ijswater, pekel of antivriesmengsels.

2

COMPRESSIE KOEL- EN VRIESINSTALLATIE

2.1 Werkingsprincipe van een compressie koelen vriesinstallatie In de koelinstallaties circuleren koudemiddelen in een gesloten systeem. Er zijn vele soorten koudemiddelen. De belangrijkste groepen van heden ten dage gebruikte koudemiddelen zijn: C CFK’s (Chloor Fluor Koolwaterstoffen) C HCFK's (Hydrogeen Chloor Fluor Koolwaterstoffen) C HFK's (Hydrogeen Fluor Koolwaterstoffen) C ammoniak (NH3). Het gebruik van CFK’s is per 1 januari 1993 verboden in nieuwe installaties; voor HCFK's gaat een verbod gelden in nieuwe installaties per 1 januari 2000. Hierop wordt verder ingegaan in §4. Alle koudemiddelen worden aangeduid met de R (van Refrigerant) gevolgd door een type aanduiding. Enkele voorbeelden van momenteel (nog) veel voorkomende koudemiddelen zijn weergegeven in tabel 1. In deze tabel staan vermeld het bijbehorende Rnummer, de groep waartoe ze behoren, de bestanddelen waaruit het koudemiddel bestaat indien het een mengsel van meerdere enkelvoudige koudemiddelen betreft en de bij de stof horende chemische structuurformules. In figuur 1 is schematisch de koelkringloop weergegeven van een koudemiddel in een compressie koelinstallatie. Zoals blijkt uit figuur 1 bestaat een compressie koelinstallatie in zijn eenvoudigste vorm uit de volgende onderdelen:

blad 3 van 17


Tabel 1 Enkele veel gebruikte koudemiddelen R-nummer

groep/ categorie

samenstellende componenten

chemische formule / naam

R11

CFK

---

CCl3F (trichloorfluormethaan)

R12

CFK

---

CCl2F2 (dichloordifluormethaan)

R502

CFK

R22 (48,8%) + R115 (51,2%)

CHClF2 + CClF2!CF3

R22

HCFK

---

CHClF2 (chloordifluormethaan)

R134a

HFK

---

CH2F!CF3 (tetrafluorethaan)

R404A

HFK

R125 (44 %) + R143a (52 %) + R134a ( 4 %)

CHF2!CF3 CH3!CF3 CH2F!CF3

+ +

R407A

HFK

R32 (20 %) + R125 (40 %) + R134a (40 %)

CH2F2 CHF2!CF3 CH2F!CF3

+ +

R410A/B

HFK

R32 (A:50%;B:55%) + R125 (A:50%;B:45%)

CH2F2 CHF2!CF3

+

R507

HFK

R125 (50 %) + R143a (50 %)

CHF2!CF3 CH3!CF3

+

R717

ammoniak

---

NH3

Figuur 1

Schema van een compressie koelinstallatie; koelkringloop met bijbehorende energiestromen (bron: STEK)

blad 4 van 17


C Een verdamper (bijvoorbeeld een luchtkoeler); hierin verdampt bij een relatief laag temperatuur- en drukniveau een vloeistof, het ‘koudemiddel’. Voor het verdampingsproces is warmte nodig; deze wordt in dit geval onttrokken aan de circulerende lucht. De verdamper bevindt zich in de te koelen ruimte of maakt deel uit van de randapparatuur zoals een koudwater-aggregaat. C Een compressor (zuig/perspomp); deze zuigt de in de verdamper gevormde dampen (zuiggas) aan en brengt ze op een hoger drukniveau (persgas). C Een condensor; hierin condenseert bij een relatief hoog temperatuurniveau de door de compressor aangevoerde damp tot een vloeistof. De in de verdamper toegevoerde warmte, vermeerderd met de in de compressor toegevoerde energie (=warmte), wordt hier afgegeven aan koelwater of aan de buitenlucht. C Een regelventiel (TdC) oftewel expansieventiel; dit ventiel vormt de afscheiding tussen het hoge- en het lagedruk gedeelte van de installatie. Het regelt de vloeistofstroom naar de verdamper. C Hierna begint het proces opnieuw (kringloop). 2.2 Basisbegrippen Verzadigde toestand van koudemiddelen Voor ieder type koudemiddel geldt dat er in verzadigde toestand (waar gas en vloeistof in een overgangsfase zijn) een vaste relatie bestaat tussen druk en temperatuur. Met andere woorden: Bij een bepaalde temperatuur behoort ‘een koudemiddel-afhankelijke’ druk en omgekeerd. Voorbeelden van de relatie van druk en temperatuur voor enkele koudemiddelen zijn:

koudemiddel

verzadigingsdruk bij 0EC

bij 40EC

R22

4 bar

14 bar

R134a

1,9 bar

9,2 bar

Oververhitting Nadat het vloeibare koudemiddel is verdampt bij een constante druk en temperatuur, kan het dan gasvormige koudemiddel in temperatuur stijgen (oververhit gas). Voorbeeld: de werking van een thermostatisch regelventiel (TdC in figuur 1) is gebaseerd op oververhitting (zie voorts §2.3). Onderkoeling Zodra gasvormig koudemiddel is gecondenseerd bij een constante druk en temperatuur, kan de gevormde vloeistof in temperatuur dalen (onderkoelde vloeistof). Voorbeeld: het vloeibare koudemiddel dat de condensor verlaat is onderkoeld. Druk van verdamping en condensatie De druk waarbij de verdamping en condensatie van het koudemiddel plaatsvinden, kan worden afgelezen op de manometers. Deze zijn, hoewel niet in figuur 1 getekend, bij grotere installaties altijd aanwezig op een manometerpaneel, gemonteerd bij of op de koelinstallatie. De manometers zijn over het algemeen voorzien van een druk- en temperatuurschaal voor het betreffende koudemiddel. Zodra de compressor in bedrijf is kunnen hierop de condensatie- en verdampingstemperatuur van het systeem worden afgelezen.

blad 5 van 17


2.3 Directe verdamping Bij directe verdamping wordt het vloeibare koudemiddel met behulp van een expansieorgaan ingespoten in de koeler. Het expansieorgaan is in feite vergelijkbaar met een afsluiter die door openen en sluiten vloeistof toelaat in de verdamper. Hierbij wordt de hogere condensatiedruk van de vloeistof door expansie verlaagd tot de verdampingsdruk. Als expansieorgaan wordt gebruik gemaakt van: C een thermostatisch expansieventiel C een elektronisch geregeld expansieventiel C een capillair voor de zeer kleine installaties (koelkasten, vrieskisten, kleine koelen vriesmeubels en dergelijke). De regeling van een thermostatisch en elektronisch expansieventiel is gebaseerd op de oververhitting van het gasvormige koudemiddel, dat aan de zuigzijde de verdamper verlaat. Het expansieorgaan meet met behulp van een voeler deze oververhitting (ªT) en bepaalt hierdoor de hoeveelheid vloeistof die wordt ingespoten in de verdamper. Hiermee wordt voorkomen dat vloeibaar koudemiddel de compressor bereikt waardoor ‘vloeistofslag’ en een beschadigde compressor kunnen ontstaan. ‘Vloeistofslag’ ontstaat indien geen gas maar vloeistof in de cilinder van de compressor wordt aangezogen. Vloeistoffen kunnen !in tegenstelling tot gassen! niet worden samengeperst. Tijdens de persslag van de compressorzuiger ontstaat bij het samendrukken van de vloeistof een zodanig hoge druk, dat ernstige schade kan ontstaan aan een klep, de cilinderwand of zelfs de krukas. Een capillair expansieorgaan bestaat uit een dunne buis met een berekende lengte waarin het vloeibare gas expandeert tot de verdampingsdruk. Een groot nadeel is dat een capillair zich niet aan kan passen aan de wisselende bedrijfsomstandigheden in een koelinstallatie. Het energieverbruik van installaties met capillaire inspuiting is dan ook hoog. Zoals vermeld is een zekere oververhitting van de zuiggassen noodzakelijk; oververhitting vraagt echter om extra warmtewisselend oppervlak van de koeler. Het beperken van de oververhitting betekent dat meer nuttig oppervlak beschikbaar is voor het verdampen, waardoor de verdampingstemperatuur zal stijgen en daarmee het energieverbruik zal dalen. Bij thermostatische expansieventielen bedraagt een normale oververhitting (ªT) 6 tot 10K (Kelvin). Bij een elektronisch expansieventiel is een oververhitting tot circa 3K haalbaar, met als voordeel een lager energieverbruik. Een thermostatisch expansieventiel functioneert niet goed bij te lage condensatiedrukken, doordat bij een te klein drukverschil te weinig vloeistof wordt ingespoten. Bij lagere buitentemperaturen moet daarom de condensatiedruk kunstmatig worden verhoogd (condensor-winter regeling) tot de voor het geselecteerde ventiel minimum toelaatbare condensatiedruk. Het verhogen van de condensatiedruk kan onder meer door het uitschakelen van één of meer condensor ventilatoren en/of de toerenregeling van een ventilator. Een elektronisch geregeld ventiel blijft goed functioneren bij veel lagere condensatiedrukken dan een thermostatisch expansieventiel. Het gebruik van een elektronisch ventiel betekent dan ook een lager energieverbruik door zowel het beter benutten van het koeler oppervlak, als het nog kunnen functioneren bij lagere condensatiedrukken.

blad 6 van 17


2.4 Rondpompsystemen Rondpompsystemen !ook wel natte systemen genoemd! worden toegepast bij grotere installaties zoals in slachthuizen, koelen vrieshuizen en in de industrie. Figuur 2 bevat een schema van het werkingsprincipe. Het vloeibare koudemiddel wordt ingespoten in een vat ook wel afscheider genoemd (zie symbool V in figuur 2). In de afscheider heerst de verdampingsdruk en bevindt zich vloeibaar- en gasvormig koudemiddel. De vloeistof wordt met behulp van vloeistofpomp(en) P naar de koelers K gevoerd waar een deel van de vloeistof verdampt. Het vloeistof-gasmengsel stroomt terug naar de afscheider V waar vloeistof en gas van elkaar worden gescheiden. Het gevormde gas wordt via aansluiting A afgezogen door de compressor(en); de vloeistof wordt via E met behulp van pomp P weer naar de koelers K gepompt. Figuur 2

Schema van een rondpompsysteem (bron: Wijbenga)

V

Door het gebruik van een afscheider kan hier zonder gevaar voor vloeistofslag, verzadigde damp worden afgezogen. De vloeistoftoevoer vanaf de condensor van de koelinstallatie wordt gestuurd via een regelklep C, die niveau-afhankelijk vloeistof toelaat via aansluitpijp D in het afscheidervat V. Voordelen van het rondpomp-systeem ten opzichte van directe verdamping zijn: C een lager energieverbruik C een nauwkeurig regelbare verdampingstemperatuur C een eenvoudige en betrouwbare regeling over het gehele capaciteitsgebied van 0 tot 100% C een kleiner temperatuurverschil tussen verdampingstemperatuur en het te koelen produkt door het werken bij de verzadigde dampspanning (geen oververhitting). De nadelen ten opzichte van directe verdamping zijn: C de grote inhoud aan koudemiddelen van het rondpomp-systeem; de huidige CFK-wetgeving vraagt vanwege de aantasting van de ozonlaag om systemen met een zo gering mogelijke inhoud; rondpompsystemen komen daarom steeds meer voor bij installaties met ammoniak (NH3 of R717) als koudemiddel en minder bij de andere koudemiddelen C rondpompsystemen vragen een speciale voorziening voor een goede olie terugvoer naar het compressor-carter C de kostprijs van een rondpomp-systeem is in het algemeen hoger dan die van een vergelijkbare installatie werkend met directe expansie.

blad 7 van 17


2.5 Tweetraps-systemen Tweetraps-systemen komen alleen voor bij zeer lage verdampingstemperaturen zoals bij platenvriezers, vriestunnels, diepvriescellen en dergelijke. Er bestaan zowel tweetrapssystemen voor directe expansie als rondpompsystemen. Bij grotere drukverhoudingen tussen zuigzijde en perszijde loopt het rendement van een compressor sterk terug. Om dit te verbeteren wordt een tweetraps-systeem geïnstalleerd. Hierbij is sprake van een tussentrap en een tussendruk. In figuur 3 is een principeschema weergegeven van een tweetraps compressie koude-installatie met een open tussenkoeler. Er bestaan meerdere systemen zoals vloeistofinjectie (al of niet met een warmtewisselaar) en tussenkoeling met een open koeler of een gesloten koeler. Bij gesloten tussenkoelers kunnen voor beide trappen verschillende koudemiddelen worden gebruikt.

Figuur 3

Schema van een tweetraps compressie koude-installatie met een open tussenkoeler (bron: STEK)

Ook zijn er een tweetraps-systemen met gesloten tussenkoelers, waarbij als eerste trap wordt gewerkt met indirecte koeling. Met behulp van een koudwater aggregaat (chiller) wordt dan een ‘koudedrager’ !zoals een water/glycol mengsel! gekoeld tot bijvoorbeeld !10EC. Dit mengsel gaat naar de tussenkoeler. Als tweede trap functioneert een directe expansie of een rondpomp-systeem. 2.6 Directe of indirecte koelsystemen Men spreekt van directe koeling, wanneer de verdamper direct het af te koelen object afkoelt, bijvoorbeeld een luchtkoeler in een koelcel. Van indirecte koeling is sprake wanneer de te koelen stof door middel van een tussenstof (koudedrager) wordt afgekoeld. Dit kan water, pekel of een water/glycol (antivries) mengsel zijn. Vanwege het gevaar van koudemiddel-emissie kan een indirect systeem soms de voorkeur verdienen. Dit vanwege de geringere lengte van de koudemiddelleiding tussen de hoofdcomponenten, of om veiligheidsredenen zoals bij het gebruik van ammoniak in een supermarkt en in een luchtbehandelingsinstallatie. Een principeschets van een installatie met indirecte koeling is opgenomen in figuur 4.

blad 8 van 17


Figuur 4

Principeschema van een installatie met indirecte koeling (bron: STEK)

Voordelen van indirecte koeling zijn onder andere: minder lekverliezen door een kleinere koudemiddel-vulling, eenvoudige hoeveelheidsregeling en grotere veiligheid in de geklimatiseerde ruimten en koelen vriescellen. Nadelen van indirecte koeling zijn o.a.: een hoger energieverbruik bij koeling door de extra temperatuurtrap en het gebruik van circulatiepompen, hogere kostprijs, lange aanlooptijd van de installatie en groter ruimtebeslag. Deze nadelen worden gecompenseerd door een verminderd onderhoud. 2.7 Energie Over het algemeen worden de compressoren aangedreven door een elektromotor. Hoe groter het drukverschil tussen de zuigzijde en perszijde van de compressor (de zogenaamde compressieverhouding) hoe hoger het energieverbruik nodig voor het comprimeren van het koudemiddel. Het is daarom van belang om de verdampingsdruk van een koudemiddel zo hoog mogelijk te houden terwijl de condensatiedruk liefst zo laag mogelijk is. Verdampers / koelers De benodigde verdampingstemperatuur is afhankelijk van de keuze: C directe verdamping (zie §2.3) of natte verdamping zoals het geval is bij rondpompsystemen (zie §2.4) C directe of indirecte koeling (zie §2.6) C minimale of maximale ontvochtiging en de gewenste relatieve vochtigheid (RV) van de circulerende lucht; voor sterke ontvochtiging moet een lagere verdampingstemperatuur worden gekozen, bij zo min mogelijk ontvochtigen een hogere verdampingstemperatuur C het soort installatie, dat wil zeggen koel- of vriescel, vriestunnel, platenvriezers, ijswaterof gekoeld water-systemen enzovoorts C de gewenste produkttemperaturen en RV's, afkoel- of invriestijden en omgevingstemperaturen. Nadat de verdampingstemperatuur is bepaald, wordt het koudemiddel geselecteerd en wordt afhankelijk van de drukverhoudingen gewerkt met een ééntraps of tweetraps koelsysteem. Voor verdampers geldt als vuistregel dat een 1 Kelvin lagere verdampingstemperatuur circa 4% extra energieverbruik met zich meebrengt. Het selecteren van een ruim bemeten koeler wordt daarom aanbevolen, tenzij sterk moet worden ontvochtigd. Condensors Bij condensors wordt het gebruik van koelwater vanwege het steeds dalende grondwaterpeil en een steeds groter tekort aan goed drinkwater, door de overheid vaak niet meer toegestaan of is onderhevig aan steeds zwaardere heffingen.

blad 9 van 17


Om deze reden kiest men overwegend voor de luchtgekoelde uitvoering. Uitzonderingen hierop zijn: C een watergekoelde condensor met een afzonderlijk opgestelde koeltoren; via een sproeisysteem loopt het koelwater over een koelpakket waarbij de eveneens door de koeltoren circulerende lucht in direct contact komt met het koelwater; een deel van het circulerende water zal verdampen waardoor het overige water in temperatuur daalt; het aldus afgekoelde water wordt als koelwater gebruikt in de watergekoelde condensor C een verdampingscondensor; hierbij zijn de koeltoren en de watergekoelde condensor in één omkasting ondergebracht; het in de koeltoren afgekoelde water stroomt over de condensorpijpen waardoor het door de pijpen stromende, gasvormige koudemiddel condenseert tot een vloeistof C het gebruik van warmte-terugwinning voor het opwarmen van water voor produktieprocessen en/of sanitaire doeleinden. Bij luchtgekoelde condensors geldt: C kies bij buitenopstelling voor een geluidsarm type, vanwege het aanvragen van een milieuvergunning C plaats de condensor zo koud mogelijk, dus bij voorkeur op het noorden of oosten en vooral niet in de zon C kies een zodanige omgevingstemperatuur dat de installatie ook bij warm weer storingvrij kan functioneren; voor Nederland wordt in het ontwerp vaak een omgevingstemperatuur van +32EC aangehouden. Voor condensors geldt als vuistregel dat 1 Kelvin hogere condensatietemperatuur circa 3% hoger energieverbruik geeft. Selecteer daarom een ruim bemeten condensor. Soms kan nuttig gebruik worden gemaakt van de hier beschikbare, gratis energie door middel van warmteterugwinning. De voor warmteterugwinning benodigde apparatuur vormt dan een onderdeel van de condensor. 2.8 Coëfficiënt Of Performance (COP) COP is de afkorting van ‘Coëfficiënt Of Performance’ en wordt weergegeven door een dimensieloos getal dat bij een koelinstallatie de verhouding aangeeft tussen de onttrokken warmte (arbeid) en de daarvoor benodigde toe te voeren arbeid. Deze verhouding kan op diverse manieren worden gehanteerd zodat bij het begrip COP altijd moet worden vermeld waarop het van toepassing is. De twee voornaamste manieren voor het uitdrukken van de COP zijn: 1 De COP betrokken op de aan de compressor toegevoerde arbeid (de meest gebruikelijke). Hierbij wordt het effectieve koelvermogen van de installatie in kW gedeeld door het aan de elektromotor van de koelcompressor toegevoerde vermogen in kW. 2 De COP betrokken op de gehele installatie waarbij naast het toegevoerde vermogen aan de compressor(en) ook de extra energiebronnen worden geteld, zoals verdamper- en condensor-ventilatoren, pompen et cetera. Hoe lager de verdampingstemperatuur hoe groter het drukverschil tussen de pers- en zuigdruk, hoe hoger het energieverbruik en daarmee hoe ongunstiger de COP. Bij diepvriesinstallaties zal aldus de COP vergeleken met een koelinstallatie lager liggen en bij een koelinstallatie van een koelcel de COP weer ongunstiger zijn dan voor een airconditioning installatie. Immers de verdampingstemperatuur van het koudemiddel !en daarmee samenhangend de druk aan de zuigzijde van de compressor! in de verdamper van een diepvriescel ligt lager dan in de verdamper van een koelcel of van een airconditioningunit. Een COP met het getal 2 is voor een normale koelinstallatie laag, een COP met de waarde 3 is hoog.

blad 10 van 17


2.9

Total Equivalent Warming Impact (TEWI-waarde)

TEWI betekent ‘Total Equivalent Warming Impact’. Het geeft aan de bijdrage van een koelinstallatie aan het broeikaseffect veroorzaakt door koudemiddel-emissie als gevolg van lekkage en onderhoud, opgeteld bij het energiegebruik van de installatie. Het energieverbruik dat nodig is voor het vervaardigen van de installatie en het maken van het koudemiddel wordt buiten beschouwing gelaten bij het vaststellen van de TEWI-waarde. Wel wordt er rekening gehouden met het rendement van de energie opwekking in elektriciteitscentrales. Van belang bij het bepalen van de TEWI-waarde zijn onder andere: C de GWP (Global Warming Potential) van het gebruikte koudemiddel. De GWP wordt in verhouding tot CO2 uitgedrukt, in de koeltechniek wordt vaak uitgegaan van een waarde die gerelateerd is aan de GWP van het CFK-koudemiddel R11 (CCl3F). C het jaarlijkse lekkageverlies in kg C het aantal jaren dat een installatie in bedrijf is C de koudemiddelvulling in kg C het jaarlijks energieverbruik van de installatie. De TEWI-waarde van ammoniak (NH3) met een GWP van 0, is gunstig vergeleken met die van andere koudemiddelen uit de groep CFK’s, HCFK’s of HFK’s.

3

ABSORPTIE KOELINSTALLATIE

Thermisch gedreven koelmachines kunnen een zinvol alternatief zijn voor mechanische koelmachines, zodra goedkope (afval)warmte van een zeker temperatuurniveau beschikbaar is. De in elektriciteitscentrales opgewekte warmte ten behoeve van stadsverwarming is in de zomer overtollig en heeft dus weinig of geen waarde. Dit geldt ook voor de warmte uit warmte-kracht units op het moment dat er geen vraag is naar warmte, bijvoorbeeld in de zomerperiode. Ook in de (proces-)industrie worden grote hoeveelheden restwarmte-stromen naar de omgeving afgevoerd. Indien er ook !en gelijktijdig! behoefte bestaat aan koeling kan absorptiekoeling een aantrekkelijke benutting van deze restwarmte zijn. Een schema van een absorptie koelmachine is gegeven in figuur 5. Figuur 5

Schema van een absorptie koelinstallatie

blad 11 van 17


Net zoals bij de mechanische compressie koelmachine wordt in een absorptiekoelmachine koude opgewekt in de verdamper waar het koudemiddel verdampt. Ook in de absorptiekoelmachine wordt het koudemiddel vervolgens gecomprimeerd, waarna het bij hogere temperatuur en druk, en onder afgifte van warmte, condenseert in de condensor. Het essentiële verschil met de mechanische compressiekoelmachine is de manier waarop compressie verloopt: deze vindt bij de absorptiekoelmachine plaats door een absorptie/desorptie cyclus: De lage drukdamp uit de verdamper wordt, onder afgifte van warmte, in de ‘adsorber’ opgenomen in een adsorptiemiddel. Dit mengsel wordt naar de hoger in druk en temperatuur gelegen generator gepompt waar !onder opname van warmte! het koudemiddel wordt uitgekookt. Per saldo wordt de damp van het koudemiddel dus van lage naar hoge druk gebracht, net zoals bij een mechanische compressor. De COP voor absorptiekoelmachines is praktische altijd kleiner dan 1.

4

KOUDEMIDDELEN

CFK's, HCFK's, HFK's Door de ontdekking dat CFK's en in mindere mate ook HCFK's, de ozonlaag aantasten werd het noodzakelijk snel naar alternatieven te zoeken. CFK's C Het is per 1 januari 1993 verboden in nieuwe installaties CFK's toe te passen. Hieronder vallen koudemiddelen als R11, R12, R13 en R502. Deze middelen worden niet meer geproduceerd. C Voor bestaande installaties geldt dat nog gebruik mag worden gemaakt van eveneens uit bestaande installaties afkomstige geregenereerde CFK's, of van ‘blends’, bestaande uit een mengsel van toegestane koudemiddelen. C Voor nieuwe installaties is R134a een goede vervanger voor R12. C Als vervanger voor R502 wordt over het algemeen R404A aanbevolen. C Bij relatief nieuwe, bestaande R12- en R502-installaties kan ‘retrofitten' worden overwogen. Dit houdt in dat de installaties worden aangepast aan het gebruik van HFK's. De oorspronkelijke vulling koudemiddel (CFK) en olie worden vervangen door respectievelijk een HFK en een op het koudemiddel aangepaste smeerolie (veelal een smeerolie op basis van een ester). HCFK's C HCFK van het type R22 is nog toegestaan, maar het gebruik zal reeds vanaf 1996 geleidelijk worden verminderd. Per 1 januari 2000 is het gebruik van HCFK's verboden in nieuwe koel-, vries- en airconditioning-installaties voor loonkoel- en vrieshuizen, distributiecentra voor goederen, veilingen, openbare slachthuizen en pakhuizen. HFK’s C Als vervanger voor R22 worden nu een aantal HFK's als koudemiddel genoemd zoals R407C, R404A en R410A/B. Wat de uiteindelijke keuze zal worden is nu (begin 1996) nog niet met zekerheid te zeggen. Ammoniak (NH3) Ammoniak (R717 of NH3) is een uitstekend koudemiddel. Het tast de ozonlaag niet aan, heeft een ODP van 0 (‘Ozon Depletion Potential’, vertaald: ozon afbraakpotentieel) en heeft ook geen invloed op de opwarming van de aarde (GWP = 0). Omdat het giftig is moet aan een groot aantal veiligheidsvoorschriften worden voldaan. Deze voorschriften worden vermeld in een richtlijn ‘CPR-13' (zie §5). Vanaf 1988 wordt in de milieu-vergunningsvoorwaarden (de vroegere hinderwet) deze richtlijn gebruikt voor nieuw te bouwen ammoniak-koelinstallaties. Ammoniak werd bijna uitsluitend in grotere installaties toegepast. Een nieuwe ontwikkeling is het gebruik van installaties werkend met directe verdamping, ook wel DX (Direct eXpansion) genoemd, en een zeer geringe NH3-inhoud. Verwacht wordt dat dit soort NH3-installaties ook zal worden gebruikt als koudwater-aggregaat in combinatie met indirecte koeling (uit veiligheidsoverwegingen) in airconditioneringsinstallaties, bij koelinstallaties in supermarkten en dergelijke.

blad 12 van 17


5

NORMEN EN RICHTLIJNEN VOOR KOELINSTALLATIES

Binnen Nederland zijn een aantal normen, regels en richtlijnen met betrekking tot veiligheids- en milieu-eisen voor koelinstallaties van kracht. De voornaamste zijn:

C De Nederlandse norm NEN 3380: veiligheid van Koelinstallaties. Deze norm is verouderd en zal te zijner tijd worden vervangen door de Europese norm prEN 378, die momenteel in ontwikkeling is.

C De ‘regeling lekdichtheid koelinstallaties’ (RLK) - De huidige wettelijke regels, vastgelegd in de ‘Regeling Lekdichtheidsvoorschriften Koelinstallaties’ (RLK herziening 1994), stellen hoge eisen aan het ontwerp, de lekdichtheid van de installaties en de onderhoudsaspecten. - De bestrijding van lekkages staat of valt met een regelmatige controle. De eigenaren of de beheerders van koelinstallaties zijn verplicht er voor te zorgen dat de installaties regelmatig worden geïnspecteerd en dat er tijdig onderhoud wordt gepleegd. - Volgens de Regeling moet een koelinstallatie met een inhoud van 3 kg koudemiddel of meer, één maal per kalenderjaar worden gecontroleerd. Bij een inhoud van 30 kg of meer moet minstens één maal per drie maanden worden gecontroleerd, bij installaties van 300 kg of meer zelfs iedere maand. - De beheerder van een koel-/vriesinstallatie met een totale koudemiddelvulling van 3 kg of meer, dient over een installatiegebonden logboek te beschikken. Dit logboek moet zich in de nabijheid van de betrokken installatie bevinden. - Door de wetgever is bepaald dat alleen door installateurs in het bezit van een STEK-erkenning (Stichting Erkenningsregeling voor de Uitoefening van het Koeltechnisch Installatiebedrijf) aan koelinstallaties mag worden gewerkt. De werkzaamheden moeten daarbij worden uitgevoerd door gediplomeerde CFK monteurs (adres: STEK, Postbus 8138, 3503 RC Utrecht).

C CPR-13 Bij nieuwbouw moet niet alleen over een bouwvergunning, maar ook over een milieuvergunning worden beschikt. De vergunningverlener (het bevoegd gezag) zal van de eigenaar verlangen dat de te bouwen installatie met NH3 als koudemiddel voldoet aan de richtlijn CPR-13. Bovendien krijgt de eigenaar/gebruiker te maken met de arbeidsinspectie en de brandweer. Ook oudere ammoniak-koelinstallaties (van voor 1988) worden door de betrokken hinderwet-autoriteiten aangewezen voor keuring. Het gaat hierbij om installaties die niet zijn gebouwd op basis van CPR-13. De gegevens uit de ontwerp- en bouwfase ontbreken doorgaans. In de praktijk blijkt dat een strikte toepassing van CPR-13 hier veelal leidt tot afkeur. Een situatie die niet wenselijk wordt geacht gezien de reeds lange en veilig gebleken bedrijfstijd van de meeste van dit soort installaties. Daarom heeft de CPR (Commissie Preventie van Rampen door Gevaarlijke Stoffen) besloten om de CPR-13 richtlijn te herzien en hieraan een intreekeuring toe te voegen. Deze intreekeuring is van toepassing op de ammoniak houdende delen van oudere installaties gebouwd voor 1988 die nog niet werden gekeurd. Over het algemeen verlangt de betrokken gemeente of provincie dat installaties gebouwd ná het van kracht worden van CPR-13 in 1988 wel voldoen aan deze richtlijn. Bovendien wordt dit jaar (1996) een herkeuringsrichtlijn ingevoerd die van toepassing is op reeds eerder gekeurde installaties. Deze herkeuring vindt iedere 6 jaar plaats. Voor meer informatie over dit onderwerp kunt u terecht bij de Nederlandse Vereniging voor Koude (NVvK), Postbus 10269, 7301 GG Apeldoorn.

blad 13 van 17


Eurovent Eurovent is een vrijwillig certificatieprogramma dat door een aantal belangrijke fabrikanten van luchtkoelers, luchtgekoelde condensors en verdampingscondensors wordt nageleefd. Tot voor kort was het vaak ondoenlijk de door de verschillende condensor- en koelerfabrikanten aangeboden apparatuur onderling te vergelijken op basis van capaciteit, luchtverplaatsing, temperatuurverschillen en geluidsproduktie. De grote waarde van Eurovent is dat de koelers en verdampers van de fabrikanten, die overeenkomstig Eurovent leveren, nu onderling wel kunnen worden vergeleken. Eurovent stelt strikte eisen aan de wijze waarop de kenmerken worden gemeten of berekend en aan de presentatie van de resultaten in de specificatiedocumenten. De testcondities en de capaciteitgegevens in de documentatie van de verdampers zijn gebaseerd op Tv1 (het temperatuurverschil tussen de ingaande lucht en de verdampingstemperatuur). Eurovent heeft afstand genomen van het gebruik van Tvm (het gemiddelde temperatuurverschil tussen lucht-in en lucht-uit met de verdampingstemperatuur).

6

ONDERHOUD EN CONTROLE

Het is belangrijk om elke koeltechnische installatie periodiek door een STEK-erkend koeltechnisch vakman te laten controleren en onderhouden. Daarnaast is de dagelijkse en periodieke controle door de gebruiker met name voor de wat grotere industriële installaties onontbeerlijk. Dagelijkse controles Controleer de verdampings- en condensatietemperatuur en eventueel ook de smeeroliedruk en het oliepeil in de compressor. Vraag uw installateur welke de ‘normale’ waarden hiervoor bedragen en leg ze vast; ze kunnen dan altijd als referentie dienen bij latere controles. Met name de verdampingstemperatuur vormt een belangrijk gegeven; afwijkingen van de voor de betreffende installatie normale waarden vormen een indicatie voor storingen of onregelmatigheden in het koelsysteem. Vooropgesteld dat de temperatuur in de gekoelde ruimte op de normale waarde is, kan een te lage verdampingstemperatuur op de volgende onregelmatigheden wijzen: C De luchtkoelers zijn zodanig berijpt dat de warmte-uitwisseling ernstig wordt belemmerd. Ze dienen te worden ontdooid. C Eén of meerdere luchtventilatoren zijn uitgevallen of de luchtcirculatie over de luchtkoelers wordt belemmerd. C Een tekort aan koudemiddel als gevolg van een lekkage in het koelsysteem. Het is niet toegestaan een installatie waaruit koudemiddel ontsnapt, door te laten draaien totdat het lek is gevonden en gerepareerd door een STEK-erkend installateur. Andere oorzaak kan zijn defecten aan de koeltechnische regelapparatuur. Een te hoge verdampingstemperatuur kan veroorzaakt worden door defecten aan de koeltechnische regelapparatuur of de koelcompressor. (NB: De installatie kan ook te kort in bedrijf zijn waardoor er zich nog geen evenwichtstoestand heeft ingesteld.) Een te hoge condensatiedruk kan veroorzaakt worden door: C een te hoge buitenluchttemperatuur C één of meerdere condensorventilatoren zijn uitgevallen C de condensor is vervuild C storing in de koelwatertoevoer bij een watergekoelde condensor of een watergekoelde verdampingscondensor danwel een storing in de koeltoren C defecten aan koeltechnische regelapparatuur. Controleer nadat de installatie enige minuten in bedrijf is de koudemiddelvulling van het systeem; hiertoe is bij vrijwel elke installatie een zogenaamd vloeistofkijkglas aangebracht dat tijdens het draaien ‘helder’ moet zijn.

blad 14 van 17


Periodieke controles en onderhoud Naast de verplichte periodieke controles overeenkomstig de RLK moet worden gecontroleerd of de luchtkoelers en condensors niet zijn vervuild door stof en dergelijke. Het tijdig en regelmatig schoonmaken van deze apparatuur is zeer belangrijk; bekijk vooral de zijde waar de lucht intreedt, hier zal zich het meeste vuil verzamelen. Reinig tevens de waaiers van de ventilatoren (vergeet daarbij niet eerst de ventilatoren uit te schakelen!); het rendement wordt er door verbeterd. Met name bij luchtgekoelde condensors geeft het regelmatig reinigen een belangrijke energiebesparing.

7

TEMPERATUURBEHEERSING

Een regelmatige controle van het klimaat in de gekoelde ruimte is van groot belang; met opzet spreken we van klimaat, omdat naast de temperatuur ook de luchtvochtigheid mede bepalend is voor het kwaliteitsbehoud van de opgeslagen produkten. Een te lage luchtvochtigheid kan een overmatige uitdroging veroorzaken waardoor onnodige verliezen optreden; een te hoge luchtvochtigheid eventueel bederf en kwaliteitsverlies. Naast een dagelijkse controle van de celtemperaturen is een periodieke controle van meeten regelapparatuur zoals thermometers, thermostaten een eerste vereiste. Het komt nog al te vaak voor dat bijvoorbeeld een wijzerthermometer niet de juiste temperatuur aan geeft. Bovendien blijken temperatuuropnemers, de ‘voelers’, dikwijls op een verkeerde plaats te zijn aangebracht. Essentieel is dat de opnemer zich in de circulerende luchtstroom bevindt en niet op plaatsen waar nauwelijks een luchtstroming waarneembaar is of boven toegangsdeuren waar !iedere keer als de deur wordt geopend! warme lucht omhoog stijgt langs de voeler. Gebruik voor het ijken van meeten regelapparatuur goede, betrouwbare en geijkte temperatuurmeetapparatuur (thermometer of andere analoge of digitale apparatuur) met een uitlezing en nauwkeurigheid van 0,5EC of beter. Neem de tijd voor het uitvoeren van de metingen; door de traagheid van het meetsysteem kan het even duren voordat de juiste temperatuur wordt aangegeven. Hiermede samenhangend is ook een regelmatige controle van de werking en instelling van regel- en beveiligingsthermostaten aan te bevelen. De schakeldifferentie, d.w.z. het verschil tussen de in- en uitschakeltemperatuur, dient enerzijds zo klein mogelijk te zijn opdat temperatuurschommelingen worden beperkt, anderzijds moet worden voorkomen dat een installatie gaat pendelen (het met korte tussenpozen aan/uit schakelen). Een temperatuur-schrijver of -logger is een goed hulpmiddel om alle afwijkingen op een diagram weer te geven zodat deze naderhand kunnen worden afgelezen. Moderne installaties gebruiken meer en meer microprocessors, evenals een computer, voor zowel de regeling als het opslaan van een groot aantal gegevens zoals drukken, temperaturen, relatieve vochtigheid, draaiuren, energieverbruik en alarmmeldingen. Het gebruik van de moderne elektronica maakt het mogelijk installaties op afstand te bewaken en zelfs in te grijpen indien de computer constateert dat er problemen dreigen of zijn. Een dergelijke regeling maakt het mogelijk de installatie onder alle omstandigheden te laten draaien met een zo laag mogelijk energieverbruik (peaksaving, dag/nachtstroom). Dit onder handhaving van de optimale bewaar- of produktcondities.

blad 15 van 17


8

VOCHTBEHEERSING

Tijdens het koelproces kan met name aan onverpakte produkten met een hoog watergehalte zoals vlees, waterdamp worden onttrokken. Onder invloed van de langs het produkt stromende lucht verdampt het water aan de oppervlakte ervan; de gevormde waterdamp wordt door de circulerende lucht opgenomen, condenseert vervolgens op het oppervlak van de luchtkoeler/verdamper en wordt als water via de lekbak afgevoerd. Hoe groter het verschil tussen de oppervlaktetemperatuur van de koeler en de temperatuur van de aanwezige produkten, hoe meer vocht aan het produkt wordt onttrokken en op de koeler/verdamper zal neerslaan. De mate waarin vocht aan het te koelen produkt wordt onttrokken, wordt bepaald door het evenwichtsvochtgehalte van het produkt (de zogenaamde a w -waarde) en de relatieve vochtigheid (RV) van de in de koelruimte circulerende lucht. Het begrip ‘relatieve luchtvochtigheid’ kan als volgt worden verklaard: lucht kan bij een bepaalde temperatuur per m3 maximaal een zekere hoeveelheid waterdamp (uitgedrukt in grammen per m3) bevatten; bij hogere temperaturen meer, bij lagere temperaturen minder. Onder relatieve vochtigheid wordt verstaan het werkelijk in de lucht aanwezige waterdampgewicht uitgedrukt in procenten van het maximaal bij de betreffende temperatuur mogelijke waterdampgewicht. Bijvoorbeeld lucht van 1EC kan maximaal 5,1 gram waterdamp per m3 bevatten. De lucht is dan volledig met waterdamp verzadigd en de relatieve luchtvochtigheid is dan 100%. Bedraagt het waterdampgewicht in werkelijkheid echter 4,5 gram per m3 dan is de relatieve luchtvochtigheid 87,5%. Zie ook hoofdstuk 5.3 (‘Het meten van de relatieve vochtigheid’) in dit handboek voor nadere uitleg van het begrip en het meten van de relatieve vochtigheid. Minder onttrekking van vocht betekent in vriescellen minder rijpvorming op het koeler/verdamper oppervlak, daardoor betere warmte overdracht, kortere draaitijden, hogere verdampingstemperaturen en een lager energieverbruik. Meer rijpvorming betekent niet alleen een hoger energieverbruik tijdens het koelen maar ook dat meer moet worden ontdooid met als gevolg een nog hoger energieverbruik. Is een regeling van de luchtvochtigheid in de koelruimte nodig dan zijn hiervoor een aantal extra voorzieningen nodig. Dit zal altijd leiden tot een meer gecompliceerde installatie en meestal tot een hoger energieverbruik. De luchtvochtigheid kan worden gemeten met behulp van apparatuur zoals: C een droge- en natte bolthermometer met een schaalindeling van 0,1EC en voorzien van een ingebouwde ventilator C een elektronische luchtvochtigheidsmeter. Zoals voor alle meetapparatuur geldt ook hier de eis dat om betrouwbare meetresultaten te verkrijgen de apparatuur regelmatig dient te worden geijkt. Blijkt bij controle de relatieve luchtvochtigheid niet op de juiste, voor de koelruimte te adviseren waarde te liggen dan kan door enige nader uit te voeren inspecties inzicht worden verkregen over de mogelijke oorzaken hiervan en de consequenties hiervan voor de bedrijfsvoering. Is de luchtvochtigheid te laag trek dan het volgende na: C Is uw meting wel juist geweest? C Werkt de koelinstallatie wel goed? C Treedt er veel ijsvorming op de luchtkoelers op? C Werken alle ventilatoren in de luchtkoelers? Wordt de luchtcirculatie door de luchtkoelers niet belemmerd door vervuiling van het lamellenblok? C Stel het indroogverlies van een opgeslagen produktmonster vast door een nauwkeurige verschilweging uit te voeren tussen produktgewicht bij inslag in de cel en bij afvoer uit de cel.

blad 16 van 17


Bij een te hoge luchtvochtigheid kan worden opgemerkt dat dit op zichzelf geen reden tot ongerustheid is, zolang dit voor de opgeslagen produkten geen aantoonbare nadelige gevolgen heeft. Indien dit wel het geval is, raadpleeg dan een koeltechnicus of adviseur.

9

LITERATUUR

1

Gerwen, R.J.M. en D. Havenaar Europese normen en richtlijnen voor veiligheids- en milieu-eisen aan koelinstallaties en warmtepompen Koude & Luchtbehandeling 88 (1995) nr 4, 40 - 43 Havenaar, D Ammoniak en regelgeving in beweging. De richtlijn CPR-13 voor ammoniak als koudemiddel Koude & Luchtbehandeling, 88 (1995) nr 10, 25- 27 Koeltechniek. Inleiding tot de basisbegrippen Publikatie van: Danfoss, Nordborg Denemarken Vertaling Itho, Schiedam; uitgave maart 1978. van der Lande, C. en B. Stenzel TEWI, de werkelijke invloed van koudemiddelen op het broeikaseffect Koude & Luchtbehandeling 88 (1995) nr 6, 49 - 53 Leergang CFK-monteur, tweede druk, Uitgave van: STEK (D-B03-01) - mei 1995. Uges, P.G.H. Het Koudetechnisch Centrum, Apeldoorn. Workshop Energieverbruik bij koel-, vries- en luchtbehandelings-apparatuur t.b.v. energieconsulenten. In 1994 uitgevoerd in opdracht van Novem. Uges, P.G.H. Europees certificatieprogramma voor standaard series luchtkoelers en luchtgekoelde condensors Koude & Luchtbehandeling 88 (1995) nr 3, 47 - 53 Uges, P.G.H. CFK-jaarrapportage 1994 Koude & Luchtbehandeling 88 (1995) nr 7, 36 - 45 Wijbenga, J. Natuurlijke- en pompcirculatie Ingenieurs- en Handelsbureau Wijbenga B.V., Beesd. 1e uitgave 1991. de Wit, J. Evaluatie van een absorptiekoelmachine, aangesloten op een stadsverwarmingsnet Koude & Luchtbehandeling 88 (1995) nr 12, 35 Praktijkboek voor de Koudetechniek, de delen I en II, Een gezamenlijke publicatie van de NVvK, NVKL en Standex Periodieken Verschijnt circa mei 1996

2

3

4

5 6

7

8

9

10

11

blad 17 van 17

verhitten; Werking van koelinstallaties

Recommend Documents