best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

14
november 2008 1 -Best Practice- Koudemiddelen voor Industriële Koeling 0 Proloog Deze Best Practice (BP) maakt, net als de BP ‘Koeltechniek’, deel uit van de BP ‘Efficiënt toepassen warmtepomp- en koeltechniek’. De Good Practice Guidance (GPG) Industriële Koeling (Aanvulling Bouwwijzer) combineert de informatie uit deze BP en uit de BP ‘Koeltechniek’. Op deze manier is een verantwoorde keuze mogelijk voor een bepaald koelsysteem en een bepaald koudemiddel. 1 Inleiding Vanuit een ver verleden tot op het einde van de negentiende eeuw gebruikten mensen ijsblokken om te koelen. Die werden in de winter verzameld en dan opgeslagen in ondergrondse ijskelders. Door de voortschrijdende industrialisatie werd de permanente behoefte aan koeling zo groot, vooral bij brouwerijen, dat er gezocht werd naar middelen waarmee kunstmatig koude opgewekt kon worden. In 1810 ontstond de eerste koelinstallatie die ijs produceerde door ether te laten verdampen. Al in 1834 kwam de eerste compressiekoelmachine in bedrijf die met een (thermodynamische) kringloop functioneerde. Het medium dat de thermodynamische kringloop in een koelmachine doorloopt, noemen we het ‘koudemiddel’. Deze kringloop omvat in grote lijnen het comprimeren, condenseren, ontspannen en verdampen van het koudemiddel. Bij het selecteren van het koudemiddel spelen diverse factoren een rol. De belangrijkste zijn de thermodynamische eigenschappen van het koudemiddel en de kosten van de installatie en het energiegebruik. Sinds de laatste decennia is ook de invloed van koudemiddelen op het milieu van doorslaggevend belang bij deze keuze. Daarbij spelen zowel emissies door lekkages of als gevolg van het energiegebruik een rol. In de begintijd van de industriële koeltechniek werden vooral ammoniak, methylchloride, zwaveldioxide en koolzuur toegepast als koudemiddel. In de loop van de tijd werd zwaveldioxide vanwege de geur vervangen door methylbromide. Die stof is echter zeer giftig en bleef daarom niet lang in gebruik. Koolzuur verdween uit zicht omdat dit middel zeer hoge drukken vereist. Daarmee is van de klassieke koudemiddelen alleen nog ammoniak overgebleven. Echter, de laatste tijd neemt de belangstelling voor koolzuur toe en is koolzuur aan haar herintrede begonnen. Om niet-giftige en reukloze alternatieven voor de klassieke koudemiddelen te vinden, zijn in de jaren ‘30 de CFK’s (chlorofluorkoolwaterstoffen) en de HCFK’s (hydrochlorofluorkoolwaterstoffen) ontwikkeld. Die stoffen verdrongen ammoniak en koolzuur deels van de markt. De CFK’s en HCFK’s werden algemeen toegepast in de industriële en semi-industriële koeltechniek, maritieme en comfort airconditioning en voor huishoudelijke apparaten. Alleen de hoeveelheid CFK’s bij de productie van schuimmatrassen en als drijfgas in spuitbussen was al 15 maal zo hoog als toegepast in de koudetechniek. Lang daarna werd pas duidelijk welk effect de lekkage van CFK’s en HCFK’s op het milieu had. De stoffen tasten de ozonlaag aan en versterken het broeikaseffect. Vanwege dat effect zijn in het Montreal Protocol in 1987 wereldwijd afspraken gemaakt om deze stoffen te vervangen door chloorvrije koudemiddelen waarvan de invloed op de ozonlaag nul is. Tot de belangrijkste koudemiddelen die sinds 1994 onder een bijna wereldwijd verbod vallen (de ontwikkelingslanden kunnen een uitzondering vormen), rekenen we ook de CFK’s. Het vervangingsprogramma voorziet verder in een gefaseerde reductie van HCFK’s met als doel een wereldwijde vervanging vóór 2030 (in ontwikkelingslanden 2040). In Europa is het streven om na 2015 de beschikbaarheid van HCFK’s te beëindigen. De Europese Unie legde in Verordening (EG) nr. 2037/2000 de volgende besluiten vast die relevant zijn voor de industrie: - sinds 1 januari 2001 is het niet meer toegestaan om CFK’s te verhandelen of te gebruiken; - sinds 1 januari 2001 is het niet meer toegestaan om HCFK’s toe te passen in nieuwe koel- en klimaatregelingsapparatuur; - per 1 januari 2010 is het niet meer toegestaan om maagdelijke HCFK’s te gebruiken voor onderhouds- /servicedoeleinden in bestaande installaties; - per 1 januari 2015 is het niet meer toegestaan om gerecyclede HCFK’s te gebruiken voor onderhouds- /servicedoeleinden in bestaande installaties.

Transcript of best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

Page 1: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 1

-Best Practice-

Koudemiddelen voor Industriële Koeling0 Proloog

Deze Best Practice (BP) maakt, net als de BP ‘Koeltechniek’, deel uit van de BP ‘Efficiënt toepassenwarmtepomp- en koeltechniek’. De Good Practice Guidance (GPG) Industriële Koeling (Aanvulling Bouwwijzer)combineert de informatie uit deze BP en uit de BP ‘Koeltechniek’. Op deze manier is een verantwoorde keuzemogelijk voor een bepaald koelsysteem en een bepaald koudemiddel.

1 Inleiding

Vanuit een ver verleden tot op het einde van de negentiende eeuw gebruikten mensen ijsblokken om te koelen.Die werden in de winter verzameld en dan opgeslagen in ondergrondse ijskelders. Door de voortschrijdendeindustrialisatie werd de permanente behoefte aan koeling zo groot, vooral bij brouwerijen, dat er gezocht werdnaar middelen waarmee kunstmatig koude opgewekt kon worden. In 1810 ontstond de eerste koelinstallatie dieijs produceerde door ether te laten verdampen. Al in 1834 kwam de eerste compressiekoelmachine in bedrijf diemet een (thermodynamische) kringloop functioneerde.Het medium dat de thermodynamische kringloop in een koelmachine doorloopt, noemen we het ‘koudemiddel’.Deze kringloop omvat in grote lijnen het comprimeren, condenseren, ontspannen en verdampen van hetkoudemiddel.

Bij het selecteren van het koudemiddel spelen diverse factoren een rol. De belangrijkste zijn dethermodynamische eigenschappen van het koudemiddel en de kosten van de installatie en het energiegebruik.Sinds de laatste decennia is ook de invloed van koudemiddelen op het milieu van doorslaggevend belang bij dezekeuze. Daarbij spelen zowel emissies door lekkages of als gevolg van het energiegebruik een rol.In de begintijd van de industriële koeltechniek werden vooral ammoniak, methylchloride, zwaveldioxide enkoolzuur toegepast als koudemiddel. In de loop van de tijd werd zwaveldioxide vanwege de geur vervangen doormethylbromide. Die stof is echter zeer giftig en bleef daarom niet lang in gebruik. Koolzuur verdween uit zichtomdat dit middel zeer hoge drukken vereist. Daarmee is van de klassieke koudemiddelen alleen nog ammoniakovergebleven. Echter, de laatste tijd neemt de belangstelling voor koolzuur toe en is koolzuur aan haar herintredebegonnen.Om niet-giftige en reukloze alternatieven voor de klassieke koudemiddelen te vinden, zijn in de jaren ‘30 de CFK’s(chlorofluorkoolwaterstoffen) en de HCFK’s (hydrochlorofluorkoolwaterstoffen) ontwikkeld. Die stoffen verdrongenammoniak en koolzuur deels van de markt. De CFK’s en HCFK’swerden algemeen toegepast in de industriële en semi-industriële koeltechniek, maritieme en comfortairconditioning en voor huishoudelijke apparaten. Alleen de hoeveelheid CFK’s bij de productie vanschuimmatrassen en als drijfgas in spuitbussen was al 15 maal zo hoog als toegepast in de koudetechniek.Lang daarna werd pas duidelijk welk effect de lekkage van CFK’s en HCFK’s op het milieu had. De stoffen tastende ozonlaag aan en versterken het broeikaseffect. Vanwege dat effect zijn in het Montreal Protocol in 1987wereldwijd afspraken gemaakt om deze stoffen te vervangen door chloorvrije koudemiddelen waarvan de invloedop de ozonlaag nul is.Tot de belangrijkste koudemiddelen die sinds 1994 onder een bijna wereldwijd verbod vallen (deontwikkelingslanden kunnen een uitzondering vormen), rekenen we ook de CFK’s.Het vervangingsprogramma voorziet verder in een gefaseerde reductie van HCFK’s met als doel een wereldwijdevervanging vóór 2030 (in ontwikkelingslanden 2040).In Europa is het streven om na 2015 de beschikbaarheid van HCFK’s te beëindigen. De Europese Unie legde inVerordening (EG) nr. 2037/2000 de volgende besluiten vast die relevant zijn voor de industrie:- sinds 1 januari 2001 is het niet meer toegestaan om CFK’s te verhandelen of te gebruiken;- sinds 1 januari 2001 is het niet meer toegestaan om HCFK’s toe te passen in nieuwe koel- en

klimaatregelingsapparatuur;- per 1 januari 2010 is het niet meer toegestaan om maagdelijke HCFK’s te gebruiken voor onderhouds-

/servicedoeleinden in bestaande installaties;- per 1 januari 2015 is het niet meer toegestaan om gerecyclede HCFK’s te gebruiken voor onderhouds-

/servicedoeleinden in bestaande installaties.

Page 2: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 2

Ook in Nederland mogen dus sinds 1 januari 2001 in nieuwe installaties geen R22 (een HCFK : CHClF2) meerworden toegepast. In tabel 1 noemen we een aantal koudemiddelen die CFK’s en HCFK’s bevatten en die onderde genoemde regelingen vallen.

Tabel 1 Overzicht van een aantal uitgefaseerde CFK’s en HCFK’sKoudemiddel Formule of

samenstellingODP (R11=1) GWP (CO2=1)

CFK chlorofluorkoolwaterstoffenR11 CCl3F 1,0 3800R12 CCl2F2 1,0 8100R502 R22/R115 0,33 4400

HCFK hydrochlorofluorkoolwaterstoffenR22 CHClF2 0,055 1500R401A R22/R152A/R124 0,037 970R402A R22/R125/R290 0,021 2250R403A R22/R218/R290 0,041 2520R408A R22/R125/R143a 0,026 2650R409A R22/R124/R142B 0,048 1290

Als opvolgers voor de (H)CFK’s zijn de HFK (hydrofluorkoolwaterstof) als koudemiddel ontwikkeld. Deze HFK’sbevatten geen chlooratoom en zijn daarom geen ozonlaag-aantasters. Alle synthetische koudemiddelen, zowelCFK’s, HCFK’s als HFK’s, zijn echter broeikasgassen. De beperking van het broeikaseffect ligt vast in het KyotoProtocol. Dit Protocol richt zich op het reduceren van de uitstoot van een zestal broeikasgassen, waaronder deHFK’s. Binnen het Kyoto Protocol heeft Nederland de verplichting van een 6% emissiereductie van de zesbroeikasgassen in de periode 2008-2012 ten opzichte van 1990. Voor stationaire koelinstallaties kwam de EU indit kader met de zogenaamde F-gassen-regeling (Regulation (EC) 842/2006). Deze regeling geeft onder andereeisen voor de lekdichtheid van installaties en van de opleiding en certificatie van betrokken personeel enbedrijven.

Deze brochure wil, op basis van de huidige kennis en regels, inzicht bieden bij het selecteren van eenkoudemiddel voor nieuwe compressiekoelinstallaties. Ook geven we aan welke koudemiddelen geschikt zijn omin bestaande installaties uitgefaseerde stoffen te vervangen. Na een overzicht van beschikbare chloorvrijekoudemiddelen, vergelijken we de onderlinge eigenschappen van enkele beschikbare koudemiddelen. Ook is eraandacht voor het energie-efficiencyaspect van het gebruik van diverse koudemiddelen.

2 Nomenclatuur koudemiddelen

De koudemiddelen hebben een R–aanduiding en een veiligheidsklassificatie die officieel wordt uitgegeven na eengeslaagde test door de American Society of Heating, Refrigeration and Airconditioning Engineers (ASHRAE). Zievoor meer details de ASHRAE Standard Nr. 34. In de toekomst is deze taak in handen van ISO/TC 86 en deresultaten worden gepubliceerd in ISO 817.

Voor enkelvoudige koudemiddelen geeft deze aanduiding de molecuulstructuur weer.Zo bestaat bijvoorbeeld R134a uit:

1 (+1) 3 (-1) 42 koolstof- 2 waterstof- 4 fluoratomenatomen atomen

Dit geldt niet voor mengsels (zeotropen=blends). Wel is herkenbaar of het gaat om azeotropen, semi-azeotropendan wel zeotropen. Bij azeotropische mengsels heeft, in tegenstelling tot zeotropische mengsels, de dampfasedezelfde samenstelling als de vloeistoffase. Dit betekent dat bij een azeotopisch mengsel deverdampingstemperatuur in de verdamper constant blijft. Bij een zeotropisch mengsel verdampt in eerste instantiede component met het hoogste kookpunt en later de fractie met het laagste kookpunt. Hierdoor ontstaat eentemperatuurdaling in de verdamper. Dit maakt een zeotropisch mengsel ongeschikt voor pompsystemen.

TIP

Het is een fabel dat je bij een zeotropisch mengsel de extra temperatuurdaling in de verdamper er ‘gratis’ bij krijgt.In feite is het omgekeerd. De zuigdruk van de compressor wordt bepaald door de fractie met het laagste kookpunten is dus feitelijk lager dan nodig zou zijn als het mengsel zich zou gedragen als een azeotroop. Dit kost extraaandrijfenergie van de compressor.

Page 3: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 3

Alle azeotropische mengsels zijn ondergebracht in de R5-serie, en de semi-azeotropische en de zeotropischemengsels in de R4-serie. Een hoofdletter achter het serienummer geeft aan dat de mengverhouding van decomponenten verschilt, zoals bij R407A, R407B en R407C.Bij de zeotropische menggassen (blends) treedt bij verdamping een kooktraject (temperature glide) op. Stel datdit niet te verenigen is met het te koelen proces. In dat geval moet een enkelvoudig koudemiddel of eenazeotroop menggas worden geselecteerd met een glide van circa 0 K.

In tabel 2 staan de nu beschikbare chloorvrije HFK’s en natuurlijke koudemiddelen met hun R-nummers. In kolomvier van deze tabel staat het kookpunt bij 1bar(a), wat een indicatie geeft of het koudemiddel geschikt is voorinvriezen, vriesbewaren, koelen of aico-systemen. In kolom vijf van de tabel staat ∆t de temperatuurval in deverdamper, waaruit volgt of het mengsel zich gedraagt als azeotropen of semi-azeotropen. In kolom zes van detabel staat de druk bij 50°C. Daarmee kun je vaststellen welke eisen er aan de ontwerpdruk van het systeemgesteld worden. In kolom zeven staat t26D. Dat is de tempeatuur bij een druk van 26bar(a). Omdat 26 bar(a) eenveelgebruikte drukklasse is, geeft dit getal de maximale toelaatbare condensortemperatuur in °C weer.

Page 4: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 4

Tabel 2 Overzicht toepasbare koudemiddelenKoudemiddel Formule of

samenstellingMg/mol

t1˚C

∆tsK

p50MPa

t26˚C

ODPR11=1

GWPCO2=1

V.-grp

Vervanging voor Toepassing

Chloorvrije fluorkoolwaterstoffen (HFK)R23 CHF3 70 -82 0 1 0 11700 A1 R13, R503R32 CH2F2 52 -52 0 42 0 650 A2 R22 en R502 in

blendsR134a CH2F2 102 -26 0 1,2 79 0 1300 A1 R12, R22 in blends Airco, warmtepomp, comm.koelingR125 CHF2CF3 120 -48 0 51 0 2800 A1 R12, R22 in blendsR143A CH3CF3 84 -47 0 56 0 3800 A2 R22 en R502 in

blendsR152a CH3CHF2 66 -25 0 85 0 140 A2 R12R227ea CF3 CHF CF3 170 -16 0 96 0 2900 A1 R114, R12B1 Airco, warmtepomp, ORC

Chloorvrije (HFK) blendsR404A R143a/125/134a 98 -46,5

tot -45,7

0,7 2,1 55 0 3260 A1 R502, R22 Comm.koeling en transport

R407A R32/125/134a 90 -45,2tot -38,7,

6,6 56 0 1770 A1 R502 Comm.koeling

R407B R32/125/134a 103 -46,8tot -42,4

4,4 54 0 2280 A1 R502 Comm.koeling en transport

R407C R32/125/134a 86 -43,8tot -36,7

7,1 2,1 60 0 1520 A1 R22 Grote koelinst., airco, warmtepomp

R410A R32/125 73 -51,6tot -51,5

0,2 2,9 43 0 1720 A1 R22, R13B1 Comm.koeling, airco, transport (hogedruk!)

R417A R125/134a/600 107 -38,0tot -32,9

0 1950 A1 R22 DX stationaire airco, DX medium tot lage temp. koeling

R422A2) R125/134a/600a 114 -46,8tot -44,3

2,5 2,3 55 0 2530 A1 R22, R502 DX medium tot lage temp. koeling

R422D2) R125/134a/600a 110 -43,5tot -36,6

4,9 2,0 60 0 2230 A1 R22 DX koudwaterinstallaties, airco, DX medium tot lage temp.koeling

R507A R143a/125 99 -46,7 0 55 0 3300 A1 R502, R22 Comm.koeling en transport

Page 5: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 5

R508A R23/116 100 -86 0 -3 0 11860 A1 R13,R503R508B R23/116 95 -88 0 -3 0 11850 A1 R13, R503Isceon 892) R125/218/290 -55 4,0 50 0 3090 R13B1 Zeer lage temperatuur koeling

Natuurlijke koudemiddelenR170 C2H6 (ethaan) 30 -89 0 3 0 3 A3 R13, R503 Installaties met kleine inhoudR290 C3H8 (propaan) 44 -42 0 1,6 70 0 3 A3 R22, R502 Installaties met kleine inhoudR600a C4H10 (isobutaan) 58 -12 0 114 0 3 A3 R12, R114, R12B1 Huishoud en install. met kleine inhoudR717 NH3 (ammonia)k 17 -33 0 1,8 60 0 0 B2 R22, R502 Grote koelinstall., indirecte koelingR7232) R717/E170

(ammoniak/dimethyl ether)

23 -32 0 B2 R22

R744 CO2 (koolzuur) 44 -57 0 -781)

0 1 A1 Diverse

R1270 C3H6 (propyleen) 42 -48 0 61 0 3 A3 R22, R502 Speciale install. met kleine inhoud1) sublimeert, tripelpunt bij -56,6 ˚C bij 5,2 bar absoluut2) gegevens fabrikantVerklaring:

M = moleculair gewichtt1 = kookpunt bij 1 bara∆ts = kook- of temperatuurtraject, “temperature glide”p50 = druk bij 50 ̊Ct26 = kookpunt bij 2,6 MPaV.grp = veiligheidsgroep:

GiftigheidLage Hoge

Geen vlamvoortplanting A1 B1Lage brandbaarheid A2 B2

Brandbaarheid

Hoge brandbaarheid A3 B3

Page 6: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 6

3 Koelmachinekringloop

Het werkingsprincipe van een koelmachinekringloop berust op het afwisselend condenseren en verdampen vanhet koudemiddel, waarbij ook de druk wisselt. Zie figuur 1.

De verdamper bevindt zich stroomafwaarts van het expansieorgaan en vóór de compressoraanzuiging. Daardoorheerst er in de verdamper een relatief lage druk. Hierdoor kan het koudemiddel verdampen onder gelijktijdigeopname van warmte uit de omgeving. De omgeving is in dit geval de ruimte of het product dat gekoeld moetworden. De verdikte pijlen geven de energie- of warmtestromen aan naar of van de omgeving. De compressorbrengt het verdampte koudemiddel weer op een hogere druk (en temperatuur). Vervolgens condenseert die dampin de condensor, waarbij de vrijkomende warmte overgedragen wordt aan een koelmedium (meestal water ofomgevingslucht). In een expansieorgaan wordt het vloeibare koudemiddel op de verdampingsdruk gebracht.Daarmee is de kringloop van het koudemiddel weer gesloten.Om het energetisch rendement van een koelinstallatie aan te geven spreken we bij voorkeur van ‘Coefficient ofPerformance’ (C.O.P.) of koudefactor. Deze wordt aangegeven als:

C.O.P. = Qv / P, waarin:Qv = koelvermogen van de koelinstallatie in kWP = opgenomen (elektrisch) vermogen in kWDe totaal naar de omgeving af te voeren energie is QK = Qv + P in kW, waarinQk = vermogen van warmteafgifte van de condensor in kW

4 Selectiefactoren

Bij het selecteren van een geschikt koudemiddel spelen in het algemeen de volgende factoren een rol:- thermodynamische en fysische eigenschappen;- milieueffecten;- kosten van het koudemiddel, koelmachine en energiegebruik.

Om de selectie van een geschikt koudemiddel te vereenvoudigen gaan we in de industriële koeltechniek uit vande volgende indeling in werkgebieden:- luchtbehandeling en airconditioning, tot -5°C;- industriële koeling tot -10 °C;- industriële koeling tot -40 °C;- industriële koeling lager dan -40 °C.

4.1 Thermodynamische en fysische eigenschappenDe thermodynamische en fysische eigenschappen zijn essentieel voor het energieverbruik en het ontwerp van deinstallatie. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de afmeting en de maximale ontwerpdruk.

Laag kookpunt

Belangrijke factoren bij de keuze van een koudemiddel zijn onder andere:- hoog volumetrisch koude-effect;- hoge kritische temperatuur (de latente warmte neemt toe mét het temperatuurverschil); - grote latente warmte bij de gewenste verdampingstemperatuur (meer verdampingsvermogen per kg);- lage isentropische exponent en hoge specifieke warmte (beperkt benodigde compressorarbeid);- laag specifiek volume van de vloeistof;- hoge warmte-overdrachtscoëfficient;

Page 7: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 7

- lage dynamische viscositeit;- laag moleculair gewicht (met uitzondering van systemen met een centrifugaal compressor);- lage condensatiedruk bij + 35°C, verdampingsdruk bij procestemperatuur boven 1 bar;- brandbaarheid, explosiviteit, giftigheid;- eenvoudige lekdetectie.

Deze kenmerken hebben mogelijk gevolgen voor de hoeveelheid koudemiddel in de kringloop; de afmetingen vancondensor en verdampers; de benodigde compressie-energie en voor de drukklasse van leidingen enwarmtewisselaars.

4.2 MilieueffectenOnder ‘milieueffecten’ verstaan we hier de gevolgen voor de omgeving op korte en lange termijn dieontsnappingen van het koudemiddel via lekkages en andere emissies kunnen hebben.

Bij die milieueffecten spelen de volgende begrippen een rol:- ODP, Ozone Depletion Potential.

Dit geeft aan in hoeverre het koudemiddel de ozonlaag afbreekt in vergelijking met R11 (een CFK:CClF3) dat de factor 1,0 heeft.

- GWP, Global Warming Potential.Dit kenmerk geeft aan wat het zogenaamde broeikaseffect van het koudemiddel is, uitgedrukt inequivalente kg CO2 in een tijdvak van 100 jaar. Echter: bij vergelijking van de diverse alternatievenvoldoet dit kenmerk onvoldoende. In dat geval kun je beter uitgaan van de TEWI-waarde.

- TEWI, Total Equivalent Warming Impact.Hieronder verstaan we de som van de directe en indirecte bijdragen van het koudemiddel aan hetbroeikaseffect, uitgedrukt in equivalente kg CO2-uitstoot in een tijdvak van 100 jaar. Van directe bijdrageis sprake als het koudemiddel door lekkage vrijkomt in de atmosfeer. De indirecte bijdrage is het gevolgvan de CO2-emissie bij de energieopwekking, dus de efficiency van de installatie.Deze waarde wordt uitgedrukt in kg CO2.De TEWI–waarde bestaat uit drie factoren. Respectievelijk lekkage tijdens bedrijf, lekkage enontsnappingen tijdens onderhoud of ontmanteling en emissies als gevolg van energieverbruik. De TEWI-waarde berekenen we met de volgende formule:TEWI = (GWP*L*n) + {GWP*m * (1- αr)} + (n*Ea *β) kg CO2

Waarbij:GWP = Global Warming Potential in kg CO2 in 100 jaarL = jaarlijks koudemiddelverlies van een installatie uitgedrukt in kgGebruikelijke lekpercentages: 2,5 – 5 – 10% op jaarbasisn = levensduur van een installatie, 10 jaarm = koudemiddelinhoud van de installatieα = recuperatiefactor van het koudemiddel bij onderhoud of ontmanteling van de installatieEa = jaarlijks energieverbruik in kWhβ= CO2- emissie per kWh energieverbruik

voor aardgas: 0,55 voor stookolie: 0,85 voor steenkool: 1,16Meestal rekenen we met een energiemix, waarbij β = 0,7 of 0,9. In Nederland wordt bijtoepassing van elektriciteit uit het net een emissiefactor van 0,61 kg CO2/kWhe gehanteerd.

Uit deze formule blijkt dat de indirecte bijdrage (energieverbruik) méér invloed heeft op het resultaat dande directe bijdrage (keuze koudemiddel). Dit geldt vooral als de lekkages tot een minimum beperktkunnen worden. In het algemeen bedraagt de indirecte bijdrage (energieverbruik) circa 80 à 90% van detotale TEWI-waarde.

Voor de reductie van de broeikas-gasemissies is een koudemiddel vereist met een zo laag mogelijke GWP-waarde. Het wordt echter aangeraden om de keuze van een geschikt koudemiddel, naast de thermodynamischeeigenschappen, mede te laten afhangen van de TEWI–waarde.

4.3 Kosten van koudemiddel, koelmachine en energieDe directe kosten van het koudemiddel in de koelinstallatie zijn afhankelijk van de eenheidsprijs maar ook van detotaal benodigde hoeveelheid. Natuurlijke koudemiddelen zijn over het algemeen goedkoper dan synthetischekoudemiddelen.De indirecte kosten van de koudemiddelkeuze zijn vaak veel hoger. Dit komt door de complexheid, drukklasse enbeveiligingseisen van de installatie. Zo kun je bij HFK-toepassingen vaak volstaan met een relatief eenvoudigeentrapssysteem.Bij de koudemiddelen die een zeker brand- of explosierisico hebben, bedragen de kosten voorveiligheidsmaatregelen een belangrijk deel van de indirecte kosten. Deze maatregelen kunnen bestaan uitgasdetectie, ventilatievoorzieningen, indirecte systemen (in machinekamer, geventileerde omkasting) endergelijke.

Page 8: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 8

Ook heeft de keuze van het koudemiddel direct invloed op de Coëfficiënt Of Performance (C.O.P.) van dekoelinstallatie, respectievelijk op de energie-efficiency. Installaties met natuurlijke koudemiddelen zijn over hetalgemeen efficiënter. Vooral bij grotere capaciteiten en veel draaiuren zijn de energiekosten doorslaggevend voorde koudemiddelkeuze en het systeemontwerp.

4.4 Impact die een koudemiddelkeuze heeft op een systeemDe vloeistofexpansie en zuiggascompressie geven beide exergetische verliezen in het koudecircuit die sterkafhankelijk zijn van het gekozen koudemiddel. Door de juiste koudemiddel/systeemkeuze kun je die verliezensignificant beperken.

R507, R404A en CO2 zijn gevoelig voor expansieverliezenDe meest gebruikelijke manier van expanderen van warme vloeistof is het smoren. Tijdens het smoren wordtwarme vloeistof afgekoeld naar de verdampingstemperatuur. De warmte die hierbij vrijkomt wordt opgenomendoor verdamping van een deel van de vloeistof.

TIP

Bij R507/R404A/CO2 kan zowel de COP als de koelcapaciteit tot 15% toenemen. Dit door het maximaliseren vande onderkoeling en de toepassing van economizers.

Koudemiddelen, zoals bijvoorbeeld R507, R404A en CO2, hebben relatief grote smoorverliezen. De oorzaakhiervan is de relatief kleine waarde van de soortelijke verdampingswarmte. Dit zorgt ervoor dat de benodigdemassaflow per kW koeling relatief groot is en dat er tijdens het smoren relatief veel gas ontstaat.Smoorverliezen beperk je door de vloeistofonderkoeling te vergroten of met een expansiemachine. Deze laatstemethode, die mechanische arbeid opwekt, wordt alleen gebruikt bij zeer grote koelsystemen. Om de onderkoelingte verhogen is het aan te bevelen om een condensor met een separaat onderkoeler-segment te gebruiken. Dit incombinatie met een zuiggas-warmtewisselaar. Ook het toepassen van economizers reduceert de smoorverliezen.

Reductie van compressorarbeidAmmoniak heeft zeer geringe smoorverliezen, maar heeft relatief veel exergieverlies bij compressie. Dit uit zich inhoge persgastemperaturen.

TIP

De toepassing van een pompsysteem in combinatie met tweetrapscompressie met tussenkoeler kan tot 10%besparen op de compressorarbeid.

Door het toepassen van een pompsysteem en tweetrapscompressie met tussenkoeling kan dit verlies beperktworden. Dit verlaagt de persgastemperatuur. Een andere oplossing is het nuttig gebruiken van depersgastemperatuur voor het bereiden van tapwater. Omdat de warmteinhoud van het persgas beperkt wordt,wordt dit vaak gedaan als naverwarmer van voorverwarmd tapwater.

4.5 Invloed van koudemiddelkeuze op olieselectieOlie is nodig voor smering en koeling van de compressor maar is veelal ongewenst in de rest van hetkoelsysteem. Daarom moet olie teruggevoerd worden naar de compressor of regelmatig afgetapt worden uit hetsysteem. Zowel het koudemiddel als de verdampertemperatuur hebben grote invloed op het toegepastolieretoursysteem alsmede op de soort olie.De verdampertemperatuur stelt eisen aan de maximale viscositeit bij lage temperatuur en het vlokpunt. Bij dekeuze van de koudemiddel/olietype-combinatie speelt de onderlinge oplosbaarheid een rol. Let wel, de lagers vaneen compressor hebben een minimale viscositeit nodig.

Tabel 3 Classificatie van compressor oliënMinerale olie (MO) Dewaxed Naphthenic Refrigeration Oils

Paraffinic Refrigeration OilsSemi-synthetische olie Mixtures of alkylbenzenes and mineral oils (MO/AB)Vol synthetische olie Alkylbenzenes (AB)

Polyalphaolefins (PAO)Polyol esters (POE)Polyglycols (PAG) for R 134aPolyglycols for NH3

Page 9: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 9

Tabel 4 geeft de olieselectie van synthetische koudemiddelen weer. Bij natuurlijke koudemiddelen wordt meestalminerale olie toegepast. Uitzondering zijn ammoniak DX-installaties. Vanwege de benodigde olieoplosbaarheidwordt hier vaak PAG-olie gebruikt.

Tabel 4: Olieadvies van veel toegepaste synthetische koudemiddelenkoudemiddel Aanbevolen olie Alternatieve olieR417A MO AB, POER410A POER407C POER134a POER404A POER507 POE

4.6 Koudemiddelkeuze en regelgevingOmdat de regelgeving steeds verandert is de tekst van deze paragraaf snel verouderd. Het is dan ook aan tebevelen om de recente stand van zaken te checken op InfoMil van de website van Senter Novemhttp://www.infomil.nl.

Alle koelinstallaties moeten voldoen aan:- het Warenwetbesluit Drukapparatuur en de Warenwetregeling Drukapparatuur

Deze regelgeving is van toepassing op de nieuwbouw en modificaties, op de ingebruikneming,op de gebruiksfase (herkeuring) en op de intredekeuring.De eisen voor nieuwbouw en modificaties zijn afkomstig uit de Europese Richtlijndrukapparatuur PED (Pressure Equipment Directive, 97/23/EG). De eisen voor de andere fasenzijn aanvullende nationale eisen.

- het Activiteitenbesluit en de Regeling ActiviteitenbesluitHierin wordt aangegeven:* wanneer een koelinstallatie meldingsplichtig is (boven een bepaalde hoeveelheid

koudemiddel);* wanneer een koelinstallatie met als koudemiddel ammoniak, propaan of butaan

vergunningsplichtig is en aan welke eisen moet worden voldaan (boven een bepaaldehoeveelheid koudemiddel). Voor ammoniak geldt bijvoorbeeld een tweejaarlijksekeuring op lekkage en energiezuinigheid.

Voor alle koudemiddelen is de volgende norm van toepassing:- EN 378-2008 (4 delen), Refrigerating systems and heat pumps – Safety and environmental

requirements-Bij voldoen aan de eisen gesteld in deel 2 bestaat het vermoeden van overeenstemming met deessentiële eisen van de PED (Warenwetbesluit Drukapparatuur voor nieuwbouw enmodificaties)

Installaties met synthetische koudemiddelen moeten verder voldoen aan:voor (H)CFK’s:- Europese verordening 2037/2000 betreffende de ozonlaag afbrekende stoffen;- Besluit ozonlaagafbrekende stoffen milieubeheer 2003;- Regeling lekdichtheid koelinstallaties in de gebruiksfase.voor HFK’s:- Europese verordening 842/2006 inzake bepaalde gefluoreerde broeikasgassen (F-gassenverordening);- Besluit gefluoreerde broeikasgassen milieubeheer.

Installaties met ammoniak (en koolwaterstoffen) als koudemiddel moeten verder voldoen aan:- Besluit externe veiligheid inrichtingen (BEVI) en Regeling externe veiligheid inrichtingen (REVI)

Hierin zijn afstandstabellen voor (beperkt) kwetsbare objecten opgenomen (geldend tussen eenboven- en ondergrens voor de hoeveelheid ammoniak).

- Besluit risico’s zware ongevallen (BRZO)Dit besluit is van toepassing op zeer grote installaties.

- Arbeidsomstandighedenbesluit (Arbobesluit, art. 2.5) en Arbeidsomstandighedenregeling (par. 2.1)Het uitvoeren van een ARIE (Aanvullende Risico-Inventarisatie en -Evaluatie) (verplicht boveneen bepaalde hoeveelheid koudemiddel, afhankelijk van toestandcondities)

In een aantal van bovengenoemde besluiten is aangegeven dat voor ammoniak (geheel of gedeeltelijk) voldaanmoet worden aan:- PGS 13, (Publikatiereeks Gevaarlijke Stoffen), Ammoniak, toepassing als koudemiddel in

koelinstallaties en warmtepompen (momenteel in revisie)

Voor installaties met brandbare koudemiddelen is aanvullend de volgende regelgeving van toepassing:

Page 10: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 10

- Arbeidsomstandighedenbesluit (Arbobesluit, art. 3.5) (implementatie van de Europese Richtlijn1999/92/EC, Minimum requirements for improving the safety and health protection of workers potentiallyat risk from explosive atmospheres, (ATEX 137)) en Beleidsregel 4.4-5.

Deze regelgeving houdt o.a. in de vaststelling van gevarenzones (mogelijke invulling volgensNPR 7910-1) en te nemen beschermingsmaatregelen.

- Warenwetbesluit Explosieveilig Materieel (implementatie van de Europese Richtlijn 94/9/EC, Equipmentintended for use in potentially explosive atmosphers (ATEX 95))

De geldende praktijkrichtlijn is:- NPR 7910-1, Gevarenzone-indeling met betrekking tot ontploffingsgevaar

- Deel 1: Gasontploffingsgevaar, gebaseerd op NEN-EN-IEC 60079-10

5 Industriële koudemiddelen

De beschikbare en toegelaten industriële koudemiddelen zijn de natuurlijke koudemiddelen zoals lucht enkoolzuur, ammoniak, isobutaan, propaan, propyleen en de synthetische koudemiddelen waaronder de HFK’s(fluorkoolwaterstoffen).Voor een overzicht van deze koudemiddelen met hun eigenschappen zie tabel 2. In deze tabel vindt u ook doorwelke koudemiddelen de uitgefaseerde koudemiddelen vervangen kunnen worden.Bij een eventuele uitwisseling van een uitgefaseerd koudemiddel moet worden nagegaan wat de invloed van devervanger is op de bestaande installatie. Dit ten aanzien van koelcapaciteit, de warmteoverdracht bij degebruikers, het energiegebruik, de ontwerpdruk, materiaalbestendigheid en op de eigenschappen van pakkingenen smeerolie.

5.1 Chloorvrije koolwaterstoffen, HFK’s

R134a (CH2FCF3)Het meest gebruikte nieuwe koudemiddel is momenteel R134a, vooral bij de luchtbehandeling van gebouwen envoor processen. R134a heeft een hoge Coefficient of Performance (C.O.P.) bij verdampingstemperaturen van -5 °C en hoger. Dit ten gevolge van de relatief kleine drukverschillen. De systeemdrukken zijn laag waardoor dekosten van de installatie eveneens laag kunnen blijven. Voor cilindersmering is polyolesterolie nodig.. Dit type olieis hygroscopisch en vereist daarom zorgvuldig handelen met betrekking tot water(damp). Deze esteroliën wordenook in hydraulische systemen gebruikt. De olieoplosbaarheid geeft enerzijds problemen bij kleinezuiggasoverhitting, maar anderzijds is het terugvoeren van de olie naar de compressor eenvoudig.Een R134a-compressor heeft bij gelijk slagvolume echter slechts 60% van de koelcapaciteit vergeleken met devroegere R22.

R404A (blend van R143a/R125/R134a) en R507A (blend van R143a/R125)Dit zijn menggassen (de eigenschappen van R404A en R507A zijn vrijwel gelijk) met een beperkte temperatureglide van 1 K voor R404A. De persgastemperatuur is zeer laag waardoor R404A geschikt is voor lageverdampingstemperaturen (vriezen). De C.O.P. is niet zo hoog, vooral niet bij hogere verdampingstemperatuur.De koelinstallaties met R404A zijn relatief kostbaar omdat er diverse extra aandachtspunten zijn:- een zuiggaswarmtewisselaar, ter voorkoming van vloeistofslag, soms vereist voor een goede C.O.P.,

deze is ook gunstig voor de oliehuishouding;- olieafscheiders, vloeistofafscheiders en onderkoelers, in verband met de lage persgasdruk.

R407C (blend van R32/R125/R134a)Het menggas R407C heeft een temperatuurtraject van 4-7 K en is zeer goed inzetbaar voor koelsystemen enairconditioners. De capaciteit en het rendement zijn enigszins lager dan die van R22. Druk en temperatuur komenovereen met R22.De koelinstallaties zijn vergeleken met de menggassen R404A niet zo gecompliceerd. Dat komt door hetontbreken van een zuiggaswarmtewisselaar. In de esterolie die als smeermiddel dient, wordt het koudemiddelgemakkelijk opgenomen. Bovendien is deze olie zeer hygroscopisch en kan dus tijdens vullen en bij onderhoudwater(damp) opnemen. Zorgvuldig handelen is dus vereist.Dit koudemiddel is een goede vervanger is voor R22, ook in bestaande installaties. R407C wordt veelal toegepastin airco-installaties. R407C voldoet uitstekend in koelinstallaties met directe verdamping.

R410A (blend van R32/R125)R410A is eveneens een menggas, zoals de codering al aangeeft. Het gas heeft een klein temperatuurtraject. Hetis een hoge druk-koudemiddel. Het is breed inzetbaar, maar is vanwege de hoge persgastemperatuur nietgeschikt voor vriestoepassingen. R410A heeft een groot koelvermogen per slagvolume, terwijl het rendement indezelfde orde ligt als dat van R22. In verband met de verhouding tussen slagvolume en motorvermogen zijnspeciale compressoren ontwikkeld. R410A floreert voornamelijk in de markt voor airconditioners enkoudwatermachines. De systeemdrukken zijn hoog; de afpersdruk bedraagt minstens 50 bar. De installatiebouw

Page 11: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 11

is anders dan gebruikelijk, terwijl ook duurdere componenten nodig zijn vanwege de hoge afpersdruk. Alssmeermiddel dient een (hygroscopische) esterolie te worden toegepast.

R417A (blend van R125/R134a/600), R422A en R422D (blend van R125/134a/600a)Deze koudemiddelen zijn specifiek ontwikkeld als drop-in-koudemiddelen voor R22 en/of R502 bij bestaandeinstallaties. Bij het retrofitten zijn, naast de vervanging van het koudemiddel in verhouding tot HFK’s zoals R404A,R507A, R407C, minimale aanpassingen nodig. In veel gevallen is gedurende het retrofitten geen verandering vansmeermiddel nodig. Uit thermodynamisch oogpunt bezien wordt voor R422A een zuiggaswarmtewisselaaraanbevolen. Ruime ervaring met deze drop-in koudemiddelen ontbreekt nog.

5.2 AmmoniakAmmoniak is het meest gebruikte koudemiddel in koel- en vrieshuizen en in de industriële koeling.Als gevolg van de uitstekende eigenschappen van ammoniak als koudemiddel, ook in vergelijking met modernealternatieve koudemiddelen op basis van fluorkoolwaterstoffen, is met ammoniak in de koeltechniek een zeerhoge energie- efficiency te bereiken. De belangrijkste eigenschappen van een goed koudemiddel zijn reeds inparagraaf 4.1 genoemd. In tabel 5 vergelijken we de eigenschappen van ammoniak (R717) en enige veeltoegepaste moderne koudemiddelen. Als referentie nemen we een koelmachine met een verdamping bij -10°C eneen condensatie bij 35°C.

Tabel 5 Vergelijking van NH3 met andere koudemiddelenAmmoniak HFK blendsEigenschappen van een goed koudemiddel VoorkeurR717 R404A R507A R407C

ODP Laag 0 0 0 0GWP Laag 0 3260 3300 1520Kritische temperatuur in ˚C Hoog 132,3 72,1 70,75 86,1Latente warmte bij -10 ˚C in kJ/kg Hoog 1296,4 173,7 170,0 217,7Volumetrische koude-effect 35/-10 ˚C inkJ/m3

Hoog 2594,0 2388,0 2554,2 2098,0

Isentropische exponent bij 30 ˚C en 101,3kPa

Laag 1,314 1,116 1,115 1,141

Specifieke massa vloeistof in kg/m3 bij 35˚C

Laag 587,4 994,2 996,5 1092

Warmtegeleidingscoëfficiënt vloeistof bij 20˚C in W/m.K

Hoog 0,4999 0,06942 0,06842 0,09042

Specifieke warmte vloeistof bij 20 ˚C inkJ/kg.K

Hoog 4,745 1,499 1,494 1,499

Dynamische viscositeit vloeistof bij 20 ˚C inµPa.s

Laag 138,3 135,9 134,6 162,9

Moleculair gewicht in g/mol Laag 17,03 97,61 98,86 90,1Verdampingstemperatuur bij 100 kPa in ˚C - -34 -46,5/-

45,71-46,7 -43,8/-36,7

Condensatiedruk bij 35 ˚C in MPa Laag 1,35 1,6 1,661 1,52 Temperatuurtraject (glide) in K Minimaal 0 0,7 0 7,1Beschikbaarheid Altijd Altijd Geïndustrialiseerde landen goed,

ontwikkelingslanden minderPrijs Laag Ja Neen Neen NeenGiftigheid Geen Laag Geen Geen GeenBrandbaarheid Geen Laag Geen Geen GeenGeur Geen Ja Geen Geen Geen

Met behulp van deze tabel trekken we ten aanzien van ammoniak de volgende conclusies:• NH3 is milieuvriendelijk: ODP = 0, GWP = 0, dus is ook de TEWI zeer gunstig.• Door het lage moleculair gewicht van NH3 zijn hoge snelheden toelaatbaar. Dit resulteert in kleinere

leidingen, compressoren en afsluiters. De compressor kan met veel hogere snelheden werken (bijdezelfde drukverliezen) dan bij andere koudemiddelen.

• Als gevolg van het lage moleculairgewicht zijn ook de latente warmte en dewarmteoverdrachtscoëfficiënt hoog.

• De vloeistoffilms in de verdamper en in de condensor zijn zeer dun. Hierdoor is de warmteoverdrachtzeer goed, ook door de lage viscositeit en lage specifieke massa.

• Het rendement van de NH3-kringloop is zeer gunstig door een hoge kritische temperatuur (132,4 °C) endruk (112,8 bar); hierdoor ligt de condensatiedruk nog ver van het kritische punt.

• Door de hoge kritische druk en temperatuur is NH3 zeer geschikt als koudemiddel voor warmtepompen.Er zijn dan ook al industriële compressoren die aangepast zijn om bij 40 bar te opereren.

• Ammoniak is giftig (Mac-waarde 25-50 ppm). Maar door de lage reukgrens (5 ppm) is het vaststellen enopzoeken van een lek in een vroeg stadium mogelijk en er kan dus tijdig ingegrepen worden. Hierbij is

Page 12: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 12

het feit dat NH3 lichter is dan lucht behulpzaam, in tegenstelling tot de gehalogeneerde koudemiddelendie zwaarder zijn dan lucht.

• Bij eventuele lekkages wordt NH3 gemakkelijk door een waterscherm geabsorbeerd.• Bij contact met open vuur valt NH3 uiteen in waterdamp en stikstofoxyde. Bij gehalogeneerde

koudemiddelen is er kans op het ontstaan van fosgeen of andere giftige gassen.• Door de hoge onderste explosiegrens (15 vol%) en de daar dichtbij liggende bovengrens (30,2 vol%), is

de kans op het ontstaan van een explosief mengsel zeer klein. Door het hoge ontstekingspunt (630°C) ishet bovendien moeilijk om NH3 te ontsteken.Buitencondities waarbij een explosief mengsel van lucht en NH3 kan ontstaan komen niet voor.

. In gesloten ruimten moet je ervoor waken dat de toegestane concentratie niet overschreden wordt. Ditgebeurt door middel van detectoren en een ventilatiesysteem.

. Giftigheid is het belangrijkste veiligheidsrisico van ammoniak. Volgens EN 378-1 is ammoniak ingedeeldin veiligheidsklasse B2 (zie voetnoot bij tabel 2).

. Vanwege de corrosieve werking van ammoniak kan geen koper worden toegepast in de installatie.

In PGS 13 van VROM (momenteel in revisie) zijn voorschriften gegeven voor de veilige toepassing vanammoniak in koelinstallaties en warmtepompen.

5.3 Andere natuurlijke koudemiddelenTot de andere natuurlijke koudemiddelen behoren naast ammoniak:- R50 C H4 Methaan;- R170 C2H6 Ethaan;- R290 C3H8 Propaan;- R600A C4H10 Isobutaan;- R1270 C3H6 Propyleen;- R718 H2O Water;- R729 Lucht;- R744 CO2 Koolzuur.

5.3.1 Brandbare koudemiddelenTot de brandbare natuurlijke koudemiddelen rekenen we ook een aantal koolwaterstoffen.Alle koudemiddelen zijn op basis van hun brandbaarheid in klassen ingedeeld. Die indeling is verschillend voorEuropa, de Verenigde Staten van Amerika en Japan. Er is verschil in het aantal klassen, in de te hanteren criteriabij de indeling en in de testcondities.In Europa geldt de EN 378. Hierin worden o.a. de veiligheidsaspecten met betrekking tot brandbaarheid vannatuurlijke koudemiddelen in koelinstallaties en warmtepompen behandeld.De veiligheidsclassificatie volgens EN 378 is in tabel 2 voor diverse koudemiddelen aangegeven.

Iso-butaan heeft een uitstekende reputatie opgebouwd als koudemiddel in huishoudelijke koelkasten. Al velejaren zijn propaan (R290) en propyleen (R1270) bewezen koudemiddelen in industriële installaties, met name inde olie- en gas- en andere chemische industrie. Voorwaarde is dat de nodige veiligheidsmaatregelen in achtworden genomen.

5.3.2 KoolzuurEr is een stijgende interesse merkbaar voor het toepassen van koolzuur (R744) als koudemiddel.In een cascadesysteem met bijvoorbeeld ammoniak is koolzuur een zeer aantrekkelijk koudemiddel tottemperaturen van -50°C. In een dergelijk systeem wordt het hoge temperatuurdeel verzorgd door een compacteunit met ammoniak waarvan de verdamper fungeert als condensor voor de koolzuurcyclus. De lagetemperatuurcyclus met koolzuur gaat tot aan de gewenste lage procestemperatuur. Deze nieuwe ontwikkelingvindt steeds meer opgang bij nieuwe industriële installaties en er is reeds een aantal installaties in bedrijf. Weldient er extra aandacht geschonken te worden aan de ontwerpdruk. Dit omdat bij stilstand van de installatie detemperatuur, vergeleken bij de omgevingstemperatuur, oploopt en de daarbij behorende druk hoog kan zijn: hetkritisch punt ligt op 31,1 °C bij een druk van 73,8 bar. Bij de toepassing van koolzuur in de lagedruktrap van eencascadesysteem is in tabel 6 een opsomming gegeven van de eigenschappen van ammoniak en koolzuur in eenkoelsysteem werkend op een verdampingstemperatuur van -40 °C en een condensatietemperatuur van -10 °C.

Tabel 6 Eigenschappen koolzuur en ammoniakAmmoniak KoolzuurEigenschappen koudemiddelR717 R744

ODP 0 0GWP 0 1Kritische temperatuur in ˚C 132,3 31,1Latente warmte bij -40 ˚C in kJ/kg 173,7Volumetrische koude-effect 35/-10 ˚C inkJ/m3

2388,0

Isentropische exponent bij 30 ˚C en 101,3 1,314 1,116

Page 13: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 13

kPaSpecifieke massa vloeistof in kg/m3 bij -10˚C

652,1 994,2

Warmtegeleidingscoëfficiënt vloeistof bij -25 ˚C in W/m.K

0,6382 0,06942

Specifieke warmte vloeistof bij -25 ˚C inkJ/kgK

4,489 1,499

Dynamische viscositeit vloeistof bij 20 ˚C inµPa.s

228,4 135,9

Moleculair gewicht in g/mol 17,03 97,61Verdampingstemperatuur bij 100 kPa in ˚C -34 -46,5/-

45,71Condensatiedruk bij -10 ˚C in MPa 0,29 1,6Temperatuurtraject (glide) in K 0 0,7

Koolzuur kan ook gebruikt worden als secundair koudemiddel bij lage temperaturen (veelal vriestoepassingen)samen met een primair systeem werkend op ammoniak of een HFK-koudemiddel. In tegenstelling tot degebruikelijke 1-fasige koudedragers wordt bij koolzuur als 2-fasige koudedrager gebruikgemaakt van de latentewarmte. Hierdoor kun je volstaan met veel kleinere koudedragerhoeveelheden. Van dit type systeem zijneveneens al een aantal installaties werkzaam.Koolzuur kan ook transkritisch (hoge druk zijde boven het kritische punt) worden toegepast, o.a. voorwarmtepompen. In deze toepassing wordt in plaats van een condensor gebruikgemaakt van een gaskoeler.Transkritische systemen, ook voor supermarkttoepassingen, zijn in ontwikkeling. Een aantal voorbeelden zijn aloperationeel.

5.3.3 WaterHet natuurlijkste koudemiddel is sinds de Oudheid het ons omringende water. En wel in twee vormen: alsverdampend water of als smeltend ijs.Het meest wordt het toegepast voor comfortkoeling: een verkoelende dronk, in de zomer een verkoelende duik inhet zwembad, de wijnkoeler. Qua industriële toepassingen noemen we: koeltorens met verdampingskoeling,verzadigde of oververzadigde luchttoevoer in fabrieken met hoge warmtebelasting (textielfabrieken e.d.) en in dezomer het besproeien van daken.Deze verdampingskoeling maakt gebruik van het feit dat de ons omringende lucht zelden of nooit verzadigd is,waardoor het aanwezige water de natuurlijke neiging heeft om te verdampen door onttrekking van(verdampings)warmte aan de omgeving. De grens van die verdamping is bereikt als de omgevingstemperatuur isgedaald tot bijna aan de zogenaamde natte boltemperatuur.Er zijn momenteel diverse technieken bekend die op een zeer effectieve manier gebruikmaken van natuurlijkeverdampingskoeling. De toepassing beperkt zich in de meeste gevallen tot comfortkoeling van fabrieken,werkplaatsen en kantoren. De haalbare inblaastemperatuur is in warme zomers 21 tot 22 °C bij eenbuitenconditie van 30°C en een relatieve vochtigheid van 40%.

Eén van de laatste ontwikkelingen is een systeem waarbij het verdampingsproces plaatsvindt in een indirectecyclus. Hierdoor komt er geen vocht terecht in de ventilatielucht. Een deel van de aangezogen buitenlucht (1/3deel) voert het verdampte water af naar de omgeving, terwijl het resterende 2/3 deel via een warmtewisselaar totdichtbij de natte boltemperatuur wordt gekoeld en aan de werkruimte wordt toegevoerd.De ruimtelucht wordt tevens in het warme jaargetijde voor 100% ververst. In vergelijking met een mechanischgekoelde airconditioning heeft dit nieuwe systeem een hoge energie-efficiency.

6 Samenvatting

Het is vanzelfsprekend dat het lekdicht zijn van de installatie en een verantwoorde verwerking van hetkoudemiddel tot de basiseisen van de koudetechniek behoren. Hoe minder koudemiddel in de ons omringendeatmosfeer terechtkomt, hoe kleiner de ecologische gevolgen.Bij het zoeken naar alternatieven wordt aanbevolen om als maatstaf de technische eisen te hanteren en niet tekiezen op grond van een vermeende overeenkomst met de ‘oude’ koudemiddelen als R11, R12, R502 of R22.Ammoniakkoelinstallaties winnen steeds meer terrein, ook bij de waterkoelmachines voor de luchtbehandeling.Niet alleen vanwege de milieuvriendelijke eigenschappen, maar vooral door de energie-effiency die ermee tebehalen is.Milieuvriendelijke koudemiddelen, zoals water, lucht en koolzuur, zijn voorlopig slechts interessant voor specialetoepassingen. Ze zijn nog ongeschikt voor een wijdverbreide toepassing in de industriële koudetechniek.Gefluorideerde ethers worden wel genoemd als koudemiddelen van de toekomst maar zijn zeker nog niet opmiddellange termijn beschikbaar.

Page 14: best_practice_koudemiddelen_voor_industriele_koeling.pdf

november 2008 14

Samenvattend wordt in tabel 7 per toepassingsgebied aangegeven welk koudemiddel gebruikt kan worden:

Tabel 7 Koudemiddelen per toepassingsgebiedtempeaturrgebied Industrie Semi-industrie Luchtbehandeling Transport warmtepomp

Boven – 5 ˚C R717ammoniak R134a R717 ammoniak R134a R134aR134a R134a R407C (DX)

R407C (DX)

R600 N-butaan(tapwater)

R417A (retrofit,DX)R410A (hogeredruk)

0 ˚C tot -40 ˚C R717ammoniak R507

R744koolzuur

R290propaan R404aR1270propyleen

Onder -40 ˚C R744koolzuur R744 koolzuur

7 Referenties

1. CPR-13, derde druk, 1999

2. Koelet, P.C., Industrial Refrigeration, 1995

3. ILK-Prospekt, Kaltemittel Stand/Tendenzen, 1995

4. C.J.L.van der Lande, Moderne koudemiddelen, Themadag 27-11-1997

5. Koude en Luchtbehandeling, 93e jaargang, nr 9, september 2000

6. A.J. Mieog, M. Verwoerd, Aanvulling Bouwwijzer koel- en vrieshuizen, TNO-rapport R2004/530,november 2004

7. EN 378-1 2008, Refrigerating systems and heat pumps- Safety and environmental requirements - Part 1: Basic requirements, definitions, classification andselection criteria

8. IIR, Industry as a partner for sustainable development, Refrigeration, 2002

9. IIR, Thermophysical properties refrigerants, Tables and diagrams for the refrigeration industry

10. Kalt-Luft-Klimatechnic, Mai 2007, Exergetische System verbesserung durch richtige Anlagen-Kaltemittel-Kombination, Dipl.Ing. Klaus Lambers, Dr.-Ing. Jurgen Süss, Prof. Dr. Jürgen Köhler