Koeltechniek

7/26/2019 Koeltechniek

1/20

1 Inleiding

1.1 AlgemeenNa de ontwikkeling van de warmteleer door Robert Mayer

(1814 1879) ontstond het inzicht dat kunstmatig koude kon

worden opgewekt door middel van een thermodynamisch

proces met gebruikmaking van mechanische energie of

warmte. Met behulp van deze koudetechniek is het mogelijk

om processen, producten of ruimten te koelen en de daarbij

vrijkomende warmte weer aan de omgeving af te staan of als

restwarmte te gebruiken.

Als het doel is om warmte aan een proces of ruimte te ont-

trekken en daarna aan de omgeving af te staan, dan wordt

gesproken van een koelinstallatie. Is het de bedoeling om

warmte-energie van een laag temperatuurniveau naar een

hoger niveau te brengen en daarna te gebruiken, dan is ersprake van een warmtepomp. In figuur 1 is het principe van

beide typen installaties weergegeven.

Figuur 1. Principe koelmachine en warmtepomp

Deze brochure zal de ontwerpcondities voor de keuze van

een koelinstallatie behandelen, vooral met het oog op de

energie-efficiency. Daarbij komen de gebruikelijke typen

koelmachines (compressie en absorptie), de componenten

van de koelinstallaties en de wijze waarop de vrijkomende

warmte weer afgestaan wordt (water- of luchtkoeling,

warmteterugwinning) aan de orde.

Een overzicht voor de keuze van het in de koelmachine circu-

lerende koudemiddel is reeds in de brochure Koude-

middelen beschreven.

In een aparte brochure Warmtepompen wordt de toepas-

sing van warmtepompen en aquifers behandeld.

1.2 Koudefactor of C.O.P.

Het energetisch rendement van een koelinstallatie wordt bijvoorkeur uitgedrukt als de Cofficint of Performance

(C.O.P.) of koudefactor.

C.O.P. = Qo / Pe, waarin:

Qo

= koelvermogen van de koelinstallatie in kW

Pe = opgenomen vermogen in kW

De C.O.P. van een complete koelinstallatie (incl. pompen en

ventilatoren) is sterk afhankelijk van:

- de verdampings- en condensatietemperatuur en in het

bijzonder het temperatuurverschil;- het koudemiddel bij compressie-installaties;

- het type compressor en de regeling;

- de temperatuur van het verwarmingsmedium bij absorp-

tiemachines;

- de energie-efficiency van pompen en ventilatoren in het

systeem.

De belangrijkste invloed op de C.O.P. heeft de keuze van de

condensatie- en verdampingstemperatuur van het koelpro-

ces. In 3.1 wordt het effect van een nauwkeurige keuze toege-

licht. De relatieve invloed van die temperatuurkeuze is in

figuur 2weergegeven.

Figuur 2. Invloed van de keuze van condensatie- en verdampingstem-

peratuur op de C.O.P.

1

Koeltechniek


2/20

2 Koelmachines

Aangezien in de chemische industrie voornamelijk de com-

pressie- en absorptiekoelmachines worden toegepast, zijn in

deze brochure alleen die typen beschreven.

2.1 CompressiekoelmachineBij de compressiekoelmachinewordt het gasvormig koude-

middel met een compressor op de condensordruk gebracht,

vervolgens wordt het hete gas in een condensor vloeibaar

gemaakt en na een expansiestap (meestal in de vorm van een

expansieventiel) in de verdamper bij lage temperatuur ver-

dampt, zie figuur 3.

Figuur 3. Principeschema compressiekoelmachine

Binnen de chemische industrie, maar ook daar buiten, wor-

den voornamelijk compressiekoelinstallaties gebruikt voorproceskoeling, luchtbehandeling en gekoelde opslag.

Daarbij vormen de koudwatermachines of chillers voor water

tussen 2 en 6C, die vooral toegepast worden in luchtbehan-

delingsinstallaties, de grootste groep. Ze zijn leverbaar als

lucht- of watergekoelde standaardapparaten met capaciteiten

van 20 tot 7000 kW. Voor de kleinere apparaten (van 20 tot

200 kW koelvermogen) worden zuigercompressoren

gebruikt; schroefcompressoren worden toegepast vanaf 200

kW tot 2000 kW koelvermogen. Voor deze watergekoelde

chillers is een C.O.P. mogelijk van 5,0, dat wil zeggen een

energieverbruik van 0,2 kW per kW koelvermogen. Met cen-

trifugaal compressoren voor koudwatermachines zijn koelca-

paciteiten te realiseren van 1200 kW tot 7000 kW, dezemachines halen eveneens een C.O.P. van 5,0.

Koelinstallaties voor gebruik in (chemische) processen, waar-

bij meestal veel lagere temperaturen vereist zijn dan bij

koudwatermachines, zijn in het algemeen op specificatie

gebouwde apparaten met een aangepaste verdamper en met

de mogelijkheid om een optimale koelmachine met hoge

energie-efficiency te laten ontwerpen en installeren.

Enkeltrapszuigercompressoren zijn verkrijgbaar vanaf 200 W

(1 cilinder) tot 2000 kW koelvermogen (12 cilinders), de twee-

trapsuitvoering tot 500 kW.

Enkeltrapsschroefcompressormachines zijn beschikbaar metkoelcapaciteiten van 40 tot 6000 kW en in tweetrapsuitvoe-

ring van 200 kW tot 3000 kW.

Het vermelde capaciteitsbereik van de diverse typen is

slechts een grove indicatie: n en ander is sterk afhankelijk

van het toe te passen koudemiddel, de condensatietempera-

tuur en de gewenste verdampingstemperatuur.

2.2 AbsorptiekoelinstallatieIn een absorptiekoelinstallatiewordt energie direct in de

vorm van warmte aan de koudecyclus toegevoerd.

Hoewel het energetisch rendement van een absorptiemachi-

ne lager is dan dat van een compressie-installatie, wordt dit

nadeel gecompenseerd door de mogelijkheid om restwarmte

te kunnen benutten.

Bovendien is de geluidsemissie van een absorptie-installatie

aanmerkelijk lager dan die van een compressiemachine.

De absorptiekoelmachine maakt gebruik van een cyclus,

waarin de componenten van een binair systeem bestaande

uit een koudemiddel en een oplosmiddel, beurtelings wor-

den gescheiden en weer samengevoegd, figuur 4. Een voor-

waarde is dat het koudemiddel volkomen door het oplosmid-del opgenomen wordt. Hieraan voldoen bijvoorbeeld de stof-

paren ammoniak met water (voor procestemperaturen onder

0C) en water met lithiumbromide (voor koudwatermachi-

nes bij toepassing in air-conditioning).

Figuur 4. Principeschema absorptiekoelmachine

De combinatie van absorber, circulatiepomp en uitdrijver

wordt ook wel de thermische compressor genoemd, analoog

met de mechanische compressor bij de compressiecyclus.

Bij kleine en huishoudelijke absorptiekoelkasten is de pomp

vervangen door een systeem dat gebruik maakt van de ver-

schillen in partile druk van het koudemiddel.

De warmtebron voor de absorptiemachine kan restwarmte

zijn in de vorm van stoom, heet water of een ander medium.

De vereiste minimumtemperatuur is afhankelijk van de

gewenste koeltemperatuur, figuur 5.

2


3/20

Figuur 5. Verband tussen temperatuur restwarmtebron en koeltem-

peratuur

Ook is het mogelijk om via een aparte vuurhaard de verza-

digde oplossing direct met aardgas of een andere brandstof

te verwarmen.

Bij de praktische uitvoering van de absorptiekoudwaterma-

chine kunnen procesonderdelen met dezelfde procesdruk

binnen n hermetisch gesloten drukvat gecombineerd wor-

den, zoals condensor en uitdrijver enerzijds en absorber en

verdamper anderzijds. Daarnaast is het mogelijk om de

scheiding van koudemiddel en oplosmiddel te verbeteren

door een tweetrapsuitvoering van de uitdrijver, waardoor

een verbetering van de energie-efficiency met 50% is te berei-

ken, figuur 6.

Er zijn standaard uitvoeringen van absorptiekoudwaterma-

chines (chillers) vanaf een koelvermogen van 200 kW tot

capaciteiten van 6000 kW.De te behalen C.O.P. is voor een enkeltrapskoudwatermachi-

ne circa 0,70 (temperatuur warmtebron 95 130C), voor een

tweetrapsmachine 1,20 (temperatuur warmtebron 140

175C) en voor een direct gestookte tweetraps 1,00 (brandstof

aardgas of lichte olie).

Het stoomverbruik van een enkeltrapsabsorptiekoudwater-

machine is circa 2,3 ton/h (lage druk 2 3 bar) voor een capa-

citeit van 1000 kW bij 6C koudwatertemperatuur.

Een tweetrapsmachine heeft voor dezelfde koudwatertempe-

ratuur een stoomverbruik van 1,3 ton/h (max 9 bar).

Ammoniak-/waterabsorptiemachines vinden meestal toepas-

sing als industrile installaties met een koeltemperatuur

tussen 0 en 20C, waarbij als warmteoverdrachtsmedium

(koudedrager) oplossingen van calciumchloride, kaliumfor-

miaat, ethanol of ethyleenglycol in aanmerking komen,

zie ook 6.2.

3 Werkgebied en Ontwerpcondit ies

Alhoewel er geen scherpe grens te trekken is tussen de diver-

se werkgebieden van de industrile koudetechniek wordt glo-baal de volgende indeling gehanteerd:

- comfort luchtbehandeling (airconditioning): van + 15 tot

+25C;

- proceskoeling van +15 tot 10C;

- proceskoeling van 10 tot 40C;

- diepkoeling van processen van 40 tot 100C;

- cryogene processen, zoals vloeibare gasscheiding, lager

dan 100C.

De meeste industrile proceskoeling bevindt zich in het

gebied tussen +12 en 40C, terwijl gekoelde opslag plaats

kan vinden tussen + 15 en 40C.

Door de eisen, die het te koelen proces stelt, te optimaliseren

is het mogelijk om een koelinstallatie met een hoge energie-efficiency te ontwerpen. Naast de reeds genoemde factoren

die bepalend zijn voor de C.O.P. (zie 1.2) zijn de kritische ont-

werpfactoren:

3

Figuur 6. Tweetraps LiBr-water absorptie-installatie, aardgas gestookt


4/20

- de verdampings- en condensatietemperatuur;

- de koelbelasting;

- bepalen koelmachinecapaciteit;

- het gekozen ontwerp voor het koelsysteem;

- keuze koudemiddel:

- milieutechnische en veiligheidsaspecten.

Op al deze factoren wordt in de nu volgende paragrafen

nader ingegaan.

3.1 Verdampings- en condensatietemperatuurDe keuze van de procestemperatuur is bepalend voor de ver-

dampingstemperatuurvan de koelinstallatie en daardoor

mede voor de energie-efficiency van de koudeopwekking.

Elke graad (mogelijke) temperatuurverhoging van het proces

levert een energiebesparing van 2 4% op het energiege-

bruik van de compressor. Ook is de toelaatbare tolerantie op

die procestemperatuur van belang voor de vorm waarin de

proceskoeler moet worden uitgevoerd.

- Indien een bepaalde procestemperatuur een grote tole-

rantie toelaat, kan de proceskoeler als directe verdamper

voor het koudemiddel van de koelmachine uitgevoerd

worden. Door zuigdrukregeling is dan een min of meer

constante verdampingstemperatuur te handhaven, waar-

bij de temperatuur circa 6 8K onder de procestempera-

tuur kan liggen.

- Indien de procestemperatuur een kleine tolerantie, of

een klein temperatuurverschil tussen koelmedium en te

koelen product toelaat, kan de proceskoeler via een kou-

dedragerals secundair koelmiddel (glycol, pekel of spe-ciale koudedragers) gekoeld worden (zie ook 4.5). In dat

geval is er een temperatuurverloop tussen in- en uitlaat-

stroom van de koudedrager. De temperatuur van het pro-

ces is dan regelbaar door debietregeling van het secun-

daire koelmiddel. Bij dit systeem is een aanmerkelijke

besparing op de koudemiddelinhoud mogelijk met posi-

tieve milieueffecten het transport van de koude-energie

vindt immers plaats door een koudedrager en niet door

het koudemiddel.

De condensatietemperatuur is afhankelijk van het medium

waarmee de vrijkomende warmte van de condensor kan wor-

den afgevoerd, meestal is dat medium koelwater of omge-vingslucht, soms een stofstroom die gebruik kan maken van

deze restwarmte.

In de brochures Waterkoeling en Luchtgekoelde warmte-

wisselaars wordt nader op deze aspecten ingegaan.

Het verdient aanbeveling de keuze van de condensatietempe-

ratuur goed te evalueren, omdat deze invloed heeft op de

volgende factoren:

- de energie-efficiency van de koelinstallatie;

- de afmetingen van de condensor;

- de investeringskosten;

- de geluidsemissie van de (luchtgekoelde) condensor,

Het effect van de procestemperatuur (tp) en de condensatie-

temperatuur (t

c

) op de C.O.P. is voor een schroefcompressor

in tabel 1 gellustreerd. Voor een zuigercompressor zijn deze

waarden iets lager.

Elke graad verlaging van de condensatietemperatuur komt

overeen met een besparing van 2 3% op het energiegebruik

van de compressor.

3.2 KoelbelastingDe koelbelastingis de hoeveelheid warmte die uit het proces

(of productopslag) afgevoerd dient te worden om de gewenste

temperatuur te handhaven. Om de koelbelasting te kunnen

vaststellen dient het vereiste koelvermogen gedurende de

bedrijfstijd bekend te zijn of zo goed mogelijk te worden

geschat. Daarbij dient onderscheid gemaakt te worden indag-, maand- en jaarbelasting met de te verwachten maxima

en minima en de frequentieverdeling daarvan gedurende de

bedrijfstijd.

De maximale energie-efficiency wordt bereikt wanneer de

koelbelasting zo laag mogelijk is in combinatie met de opti-

male keuze van de koelinstallatie. Van belang zijn hierbij:

- deprocestemperatuur, door deze zo hoog mogelijk vast

te stellen, kan de verdampingstemperatuur van het kou-

demiddel zo efficint mogelijk gekozen worden;

- procestemperaturen groeperen, indien er in het proces

diverse temperatuurniveaus gewenst zijn, is het raad-zaam te trachten deze in bijvoorbeeld twee temperatuur-

groepen samen te voegen, zodat een tweetrapskoelmachi-

ne (c.q. een schroefcompressor met economiser) overwo-

gen kan worden;

- de piekbelasting, om het benodigde koelvermogen te

optimaliseren kan de piekbelasting (bijvoorbeeld bij

batchprocessen) verminderd worden door het toepassen

van koudebuffers;

- energieverliezen minimaliseren, door een optimale isola-

tie van de gebruiker(s) en het leidingwerk. Koude-isolatie

stelt hoge eisen aan onder andere de dampdichtheid.

Meer informatie hierover is te vinden in de brochure

Isolatie;- trapsgewijze koeling, het procesmedium kan voorgekoeld

worden via een minder energie-intensieve methode door

een andere processtroom die kouder is. Daarna het

procesmedium op de vereiste temperatuur brengen door

middel van een koelinstallatie;

- pompen en ventilatoren alleen in bedrijf laten indien

noodzakelijk;

- roterende apparatuurbij sterk varirende debieten voor-

zien van een toerenregeling.

4

Condities tp/tc C Koudemiddel Koelvermogen KW Opgenomen vermogen kW Koudefactor C.O.P.

-5 / 30 NH3 1400 255 5,5-20 / 30 NH3 1400 425 3,3

Tabel 1. Effect van proces- en condensatietemperatuur op de koudefactor bij een schroefcompressor


5/20

Bij eengekoelde productopslagin gebouwen is de koelbelas-

ting door het product dat opgeslagen wordt meestal relatief

klein, maar kan de totale koelbelasting verlaagd worden

door:

- de warmtebelastingvia wanden, vloer en dak te vermin-

deren, het aandeel hiervan in de koelbelasting is circa

20% waardoor een betere isolatie al spoedig rendabel kan

zijn;

- het aantal luchtwisselingen tengevolge van het openen

en sluiten van de deuren te optimaliseren, dit vormt 30%

van de koelbelasting en deze kan verminderd worden

door luchtsluizen of strippengordijnen en door automati-

sche deuren;

- de belasting door verdamperventilatoren te verminderen,

zij vormen circa 15% van de belasting; dit kan verbeterd

worden door toepassing van hoogrendementsventilato-

ren, of ventilatoren met grotere diameters waardoor lage-

re toerentallen mogelijk zijn en door aan-/uitschakelingnaar behoefte;

- de verlichting te optimaliseren, deze vormt 10% van de

koelbelasting en is te verminderen door hoogrende-

mentsverlichting en tijdige uitschakeling;

- het verbeteren van de ontdooicyclusals de verdamper in

de opslagruimte is geplaatst. Dit kan soms voor 15% van

de belasting verantwoordelijk zijn indien, ook nadat al

het ijs reeds gesmolten is, het ontdooisysteem niet auto-

matisch afschakelt.

Bij eengekoelde productopslagin tanks is alleen de warmte-

belasting vanuit de omgeving via de wanden, de vloer en het

dak relevant.

3.3 Bepalen koelmachinecapaciteitOm te voorkomen dat een koelinstallatie met een te ruim of

te krap koelvermogen ontworpen wordt, is het van belang

om de belasting/tijdkromme zo nauwkeurig mogelijk vast te

stellen, rekening houdend met toekomstverwachtingen.

De gewenste koelmachinecapaciteit wordt vaak vastgesteld

met een onzekerheidsmarge van 10%.

Indien er relatief grote capaciteitsverschillen te verwachten

zijn (o.a. door seizoeninvloed en batchprocessen) kan overwo-

gen worden om een systeem te kiezen met meerdere (parallel

geschakelde) compressoren. Door de te verwachten maximum

en minimum condities vast te stellen, is dan het aantal com-

pressoren te bepalen.

Om een te grote overdimensionering te vermijden is het

raadzaam om:

- uit te gaan van betrouwbare gegevens over de verwachte

gebruikswijze van de installatie;

- de koelbelasting te (laten) bepalen aan de hand van vak-technische handboeken;

- de koelmachinecapaciteit zo dicht mogelijk bij de opera-

tionele capaciteit te kiezen;

- apparatuur te specificeren van gecertificeerde leveran-

ciers die koelers en/of condensors leveren overeenkomstig

Eurovent, waarmee een genormaliseerde prestatiegaran-

tie gegeven wordt voor geluid en capaciteit.

Tengevolge van het wijdverbreide gebruik van koelinstalla-

ties is het mogelijk om de vereiste machine te selecteren uit

de ter beschikking staande standaardtypen van diverse leve-

ranciers, of om een geheel aan de specifieke wensen aange-

5

Figuur 7. Schema van een tweetrapscompressie-installatie


6/20

paste installatie te laten ontwerpen en bouwen door een

koeltechnische apparatenbouwer.

Bij een aangepast ontwerp is het mogelijk om een optimale

energie-efficiency te bereiken en een zo goed mogelijke inte-

gratie in het proces te realiseren. Tevens is dan de plaats van

delen van de apparatuur, zoals compressor, condensor en

verdamper, min of meer vrij te kiezen.

Een standaardmachine heeft als voordeel dat de investerings-

kosten lager zijn, maar de energie-efficiency is niet altijd

optimaal.

3.4 Ontwerp van het koelsysteemBij het ontwerpen van een koelsysteem dat met een hoge

energie-efficiency aan alle eisen van het bedrijfsproces kan

voldoen, staat een veelheid aan mogelijkheden ter beschik-

king, ref. 1 en 2. Niet alleen is er de keus tussen compressie-

en absorptiemachines, zie 2.2 en 2.3, maar ook:

- n- of meertrapscompressie, cascadesysteem;- onderkoeling na condensatie en oververhitting na ver-

damping;

- gebruik van restwarmte.

3.4.1n- of meertrapscompressie, cascadesysteemDe keuze van n- of meertrapscompressie, c.q. een cascade-

systeem als het koelproces met de beste energie-efficiency,

hangt meestal af van de drukverhouding tussen de conden-

satie- en verdampingsdruk. Bij zuigercompressoren bijvoor-

beeld is de maximale drukverhouding circa 1:10. Daarboven

wordt de compressie z inefficint, en daardoor de compres-

sie eindtemperatuur z hoog, dat de gebruikelijke smeero-lin instabiel worden.

Een oplossing voor dit probleem vormt dan het tweetraps-

compressiesysteem volgens figuur 7. Met dit systeem is op

een efficinte wijze een grotere drukverhouding te bereiken

bij normale persgastemperaturen van de compressoren.

In een tweetrapscompressie-installatie wordt het hete gas

afgekoeld tot de verzadigingstemperatuur behorend bij de

tussendruk van de twee compressoren, terwijl het in de

intercooler een vloeistofbad passeert, dan wel tot dichtbij die

verzadigingstemperatuur door vloeistofinjectie. Om de capa-

citeit van de verdamper te verhogen en de C.O.P. te verbete-

ren, wordt vaak in de intercooler gelijktijdig het vloeibare

koudemiddel van het hoge druk vloeistofvat of de condensor

onderkoeld, op weg naar het expansieventiel en de verdam-

per.

Een daartoe ontworpen schroefcompressor is beter in staat

om met grotere drukverhoudingen om te gaan dan een zui-

gercompressor, omdat er gekoeld wordt door grote hoeveel-

heden olie in de compressor te injecteren. Het nadeel hier-

van is dat er extra koeling voor de olie vereist is. Bij moderne

machines wordt de olie op druk gehouden door:

- de persdruk waarmee de olie in de compressor wordt

genjecteerd; dit is vooral van toepassing bij standaard-

machines. De condensatietemperatuur mag hierbij nietonder de 23C dalen;

- een aparte oliepomp waarmee de olie, die aan de perszij-

de is afgescheiden aan de zuigzijde, weer in de compres-

sor genjecteerd wordt. Dit is gebruikelijk bij industrile

machines, waardoor de condensatietemperatuur tot 10C

kan dalen.

De enorme hoeveelheden olie die in het verleden nodig

waren, zijn hierdoor in de huidige schroefcompressoren

enigszins teruggebracht, maar nog niet tot dezelfde verhou-

dingen als bij de zuigermachines. Oliekoeling vindt plaats in

een gedeelte van de luchtgekoelde condensor of door middelvan een platenwarmtewisselaar bij watergekoelde systemen.

Ook bij schroefcompressoren is het mogelijk om een hogere

energie-efficiency te behalen door het gebruik van een boos-

tersysteem met de hiervoor beschreven tussenkoeling.

Voor toepassingen waarbij de verdampingstemperatuur lager

is dan 50C, vormt om vele redenen, waaronder energie-effi-

ciency, het cascadesysteem de beste oplossing, zie figuur 8.

6

Figuur 8. Schema cascade compressiesysteem


7/20

In het cascadesysteem is het lagedruk (eerste trap) koudemid-

del z gekozen, dat het bij de gewenste verdampingstempera-

tuur een redelijke aanzuigdruk heeft. De condensor van de

eerste trap functioneert als de verdamper voor de tweede

trap, welke een conventioneel koudemiddel in de (geschei-

den) kringloop heeft. Dat conventionele koudemiddel (bij-

voorbeeld ammoniak) heeft een acceptabele persdruk van de

compressor en condenseert bij de normale (omgevings)tem-

peratuur van lucht of koelwater. Een voorbeeld van een typi-

sche toepassing van tweetrapscascadekoeling is de vloeibaar-

making van ethyleen (- 170C). In ref. 4is een cascadesysteem

(ammoniak/koolzuur) beschreven voor een vrieshuis

(- 25C), doch daarbij was de opzet om het volume ammo-

niak in het systeem te beperken.

3.4.2 Onderkoeling na condensatie en oververhitting naverdamping

Onderkoelingvan het gecondenseerde koudemiddel is alleen

mogelijk bij installaties zonder vloeistofvat of daar waargebruik gemaakt wordt van een warmtewisselaar in de vloei-

stofleiding na het vloeistofvat. Door het gecondenseerde kou-

demiddel bij de condensordruk te koelen tot beneden de ver-

zadigingstemperatuur ontstaat een onderkoelde vloeistof.

Hierdoor wordt de energie-efficiency enigszins verhoogd en

extra koelcapaciteit verkregen zonder dat meer (elektrische)

energie verbruikt wordt.

Daarnaast is onderkoeling vooral van belang om het ont-

staan van ontspanningsdamp (flashgas) in de vloeistofleiding

vr de expansieventielen te voorkomen.

In een enkeltrapscompressiesysteem is onderkoeling te reali-

seren door middel van:

- de condensor, als de warmteafvoer van het koudemiddel

na condensatie in een aparte onderkoelingsbundel voort-

gezet wordt en is alleen mogelijk indien de condensor

tevens dienst doet als vloeistofvat;

- het gebruik van een aparte nakoeler na het vloeistofvat;

- de vloeistofleiding tot het expansieventiel, als de ongeso-

leerde leiding daarbij warmte kan afstaan aan de omge-

ving. Ook kan met een separate warmtewisselaar de

gecondenseerde vloeistof onderkoeld worden door het

koude gas in de zuigleiding naar de compressor. Een der-

gelijke warmtewisseling is ook mogelijk door de vloeistof-

leiding en de zuigleiding tegen elkaar te leggen en te sol-deren.

Bij een tweetrapscompressiesysteem kan het koudemiddel

van de tussentrap gebruikt worden om de vloeistof uit het

vloeistofvat te onderkoelen, figuur 7. Bij een warmtewisse-

laar vindt dan afkoeling plaats tot circa 5 K boven de verzadi-

gingstemperatuur van de tussentrap en bij een koeler met

ontspanningsverdamping tot de verzadigingstemperatuur

van de tussentrap.

Oververhitting van het zuiggas is de toename van de tempe-

ratuur van het koudemiddel boven de verdampingstempera-tuur. Het effect op de energie-efficiency is hierbij echter

afhankelijk van het toegepaste koudemiddel, omdat de

opwarming van het zuiggas invloed heeft op de dichtheid en

dus op de massastroom naar de compressor. Hierbij kan de

capaciteit van de compressor verminderen terwijl het ener-

gieverbruik gelijk blijft. Oververhitting is:

- rendabel, als het koudemiddel warmte opneemt en daar-

bij een bijdrage levert aan de koeling, bijvoorbeeld in een

verdamper met droge expansie en een thermostatisch

expansieventiel;

- onrendabel, als de zuigleiding warmte opneemt uit de

omgeving en daardoor het rendement van de compressor

verlaagt. In die situaties dient de zuigleiding van de ver-

damper naar de compressor ter verbetering van de ener-

gie-efficiency (dampdicht) gesoleerd te zijn.

Maar er is ook enige oververhitting noodzakelijk om te ver-

mijden dat er vloeistof in de leiding naar de compressor

wordt meegezogen. Met de conventionele thermostatische

expansieventielen was daarvoor relatief veel oververhitting

vereist, maar de introductie van de elektronisch geregeldeventielen heeft geleid tot lagere oververhitting van het gas

uit de verdamper, omdat die expansieventielen ook correct

werken bij kleine temperatuurverschillen. De elektronisch

geregelde expansieventielen kunnen aldus bijdragen aan een

systeem met een betere energie-efficiency.

3.4.3 Gebruik van restwarmte uit het koelprocesTot de mogelijkheden om de energie-eff iciency van het koel-

proces te verbeteren, behoort het benutten van eventuele

restwarmte uit het koelproces. Er zijn drie onderdelen in het

koelproces waar restwarmte ter beschikking kan staan.

- De leiding met het hete koudemiddel na de compressie,

met een temperatuur van 70 tot 90C (vooral bij ammo-

niak). Dit gas kan afgekoeld worden met een warmtewis-

selaar (de-superheater) tussen compressor en condensor.

Naar verhouding is de hoeveelheid oververhittingswarm-

te echter gering.

- De condensor met een temperatuur van 10 20 K boven

die van de omgevingslucht of het koelwater. Het beschik-

baar vermogen is de som van het koelvermogen en een

groot deel van het opgenomen elektrisch vermogen. Door

de lage temperatuur (30 tot 50C) is deze warmte beperkt

toepasbaar, bijvoorbeeld als een verwarmingsmedium

van 40C voor gebouwen, indien het gebouwsysteemdaarvoor is uitgelegd.

- De warmte van koelen smeeroliebij schroefcompres-

soren, met een temperatuur tussen 60 en 80C. Het

warmtevermogen in de smeerolie kan tot 50% van het

opgenomen elektrisch vermogen bedragen bij installaties

met ammoniak.

Het is van belang om bij ieder project na te gaan of het

terugwinnen van de condensorwarmte voor verwarmings-

doeleinden niet een negatieve invloed heeft op het energie-

gebruik van de koelinstallatie. Dit kan het geval zijn als de

condensor continu ten behoeve van die verwarming met eenhogere condensatietemperatuur moet functioneren, terwijl

er ook een koelend medium voor de condensor met een lage

temperatuur ter beschikking staat. In een dergelijk geval zou

7


8/20

de besparing aan verwarmingskosten wel eens minder kun-

nen zijn dan de toegenomen kosten voor de koelinstallatie

door de hogere condensatietemperatuur.

De restwarmte van de persgasleiding of de smeerolie (en in

mindere mate van de watergekoelde condensor) kan bijvoor-

beeld nuttig toegepast worden bij de voorverwarming van

koud suppletiewater voor stoomketels, voor douchewater en

voor vloerverwarming (grondverwarming) onder een vries-

huis. De warme lucht van luchtgekoelde condensors kan

voor ruimteverwarming gebruikt worden.

3.5 KoudemiddelenVan de beschikbare koudemiddelen zijn er waarschijnlijk

meerdere geschikt voor het te ontwerpen koelproces, maar

de individuele energie-efficiencies kunnen sterk verschillen,

zie brochure Koudemiddelen.

3.6 Milieutechnische en veiligheidsaspectenDe milieutechnische en veiligheidsaspecten zijn niet direct

bepalend voor de energie-eff iciency, maar hebben er indirect

wel invloed op, bijvoorbeeld bij de keuze van compressoren,

koudemiddel, smeermiddel en condensorkoeling.

3.6.1 Eisen en verplichtingenOp het gebied van veiligheid en milieu kunnen verschillende

besluiten en richtlijnen van toepassing zijn. Koelinstallaties

moeten voldoen aan de RLK (Regeling Lekdichtheid

Koelinstallaties voor installaties voorzien van chemische kou-

demiddelen), de CPR13-2 (de toepassing van Ammoniak alskoudemiddel), NPR 7600 (Nationale Praktijk Richtlijn), de

PED (het Besluit Drukapparatuur) en de NEN-EN 378

(Koelsystemen en Warmtepompen Veiligheids- en

Milieueisen).

3.6.1.1 RLKTen aanzien van gasemissies naar omgevingslucht door lek-

kage van koudemiddel, is de RLK van toepassing (ref 13).

- Voor koelinstallaties zijn door de overheid voorschriften

opgesteld voor de kwaliteit van de toe te passen appara-

tuur met leidingwerk, voor periodieke controles en ter

voorkoming van lekkages.- Installatiebedrijven voor koeltechnische apparatuur die-

nen gecertificeerd te zijn door de STEK, de Stichting

Erkenningsregeling uitoefening van het Koeltechnisch

installatiebedrijf.

- De gebruiker en/of eigenaar van een koelinstallatie, wer-

kend met chemische koudemiddelen, moet er rekening

mee houden dat het gebruik van CFK's is verboden, dat

HCFK's niet meer zijn toegestaan in nieuwe installaties

en op termijn geheel zullen worden verboden.

- Bij iedere installatie met een inhoud van meer dan 3 kg

koudemiddel, dient een installatiegebonden logboek aan-

wezig te zijn. De gebruiker van de installatie is er verant-woordelijk voor dat dit logboek wordt bijgehouden en dat

hij/zij, voor installaties gevuld met HCFK's of HFK's, uit-

sluitend opdrachten voor nieuwbouw, onderhoud en

afbraak verleent aan een STEK-erkende installateur. De

betrokken monteurs moeten bovendien beschikken over

een CFK-diploma.

In de toekomst zijn alleen nog HFK's en natuurlijke koude-

middelen (onder andere ammoniak en koolzuur) toegestaan,

zie de brochure Koudemiddelen.

3.6.1.2 CPR 13-2Bij toepassing van ammoniak (NH3) als koudemiddel, zal aan

de voorwaarden van de CPR 13-2 (ref 5) moeten worden vol-

daan.

- Voor installaties werkend met ammoniak zal voor het ver-

krijgen van de benodigde milieuvergunning, het bevoegd

gezag (gemeente of provincie) verlangen dat de installatie

voldoet aan de CPR 13-2. Bij nieuwbouw en daarna iedere

zes jaar dient de installatie te worden gekeurd door een,

door het ministerie van SZW als onafhankelijke keurings-instantie erkende, NOBO (Notified Body).

- Aanbevolen wordt reeds voordat de opdracht wordt ver-

strekt voor verbouw of nieuwbouw, hierbij een NOBO te

betrekken.

- Bij het gebruik van ammoniak dienen er preventieve

maatregelen te worden getroffen om, bij lekkage van kou-

demiddel, gevaarlijke situaties te voorkomen, onder

andere door in de machinekamer gasdetectoren te instal-

leren die bij alarmering een noodventilatiesysteem in

werking stellen.

3.6.1.3 NPR 7600De veilige toepassing van natuurlijke koudemiddelen in koel-installaties is opgenomen in de NPR 7600, zie ref.6

3.6.1.4 PEDHet Besluit Drukapparatuur, geldend voor bijna alle koel-

technische apparatuur, is van kracht sinds 29 mei 2002, zie

ref. 14 en 15. Daarin staat onder meer omschreven:

- Wanneer de gebruiker een koelinstallatie in gebruik wil

nemen en in werking wil houden die valt onder het

besluit Drukapparatuur (afhankelijk van inhoud/druk/lei-

dingdiameters en koudemiddel), moet er gekeurd worden

om veilig gebruik en goed onderhoud zeker te stellen.- De keuring omvat de verificatie van de drukapparatuur,

controle van de uitwendige toestand, de werking van de

veiligheidsappendages en de opstelling, door of in overleg

met een NOBO.

- De gebruiker moet formeel de keuring aanvragen en wel

bij nieuwbouw en bij herlocatie.

- In de Staatscourant moet de keuring voor de gebruikers-

fase nog worden gepubliceerd. Verwacht wordt dat deze

begin 2003 van kracht zal worden. Ook deze keuring (die

nu reeds voor ammoniakinstallaties geldt) moet tijdig

door de gebruiker worden aangevraagd, dat wil zeggen

vr de af loop van de keuringstermijn.

3.6.1.5 NEN-en 378Binnen de Europese Unie is nu voor koelsystemen en warm-

8


9/20

tepompen de EN 378 van kracht.

De Nederlandse vertaling is verschenen als NEN-en 378,

Koelsystemen en Warmtepompen Veiligheids- en

Milieueisen, zie ref. 7.

Deze norm bestaat uit vier delen:

deel 1: basiseisen, definities, classificatie en selectie criteria;

deel 2: ontwerp, constructie, beproevingen, merken en docu-

mentatie;

deel 3: installatieplaats en persoonlijke bescherming;

deel 4: bediening, onderhoud, reparatie en hergebruik.

3.6.1.6 KoelwaterHet gebruik van bronwater voor koeldoeleinden wordt door

de overheid beperkt toegestaan.

3.6.1.7 GeluidsemissieBij een koelinstallatie vormen de compressoren en de ver-

dampings- en luchtgekoelde condensors belangrijke geluids-bronnen, maar ook de voortplanting van het compressorge-

luid via het leidingwerk kan een belangrijke bijdrage leveren

aan de geluidsbelasting. Door een optimaal ontwerp van de

apparatuur en een accurate uitvoering van isolerende maat-

regelen kan aan de geluidsemissienormen voldaan worden.

4 Componenten van het koelsysteem

Tot de componenten die in dit hoofdstuk nader beschouwd

zullen worden met het oog op de energie-efficiency behoren:

- compressoren;- condensors;

- verdampers;

Overige aspecten zoals:

- regeling;

- warmteoverdrachtsvloeistoffen als secundaire koudedra-

gers;

- koudebuffers;

- oliewaskolom;

- automatische ontluchter;

zullen in separate hoofdstukken worden behandeld.

4.1 Compressoren

4.1.1AlgemeenDe compressor kan uitgevoerd zijn als een zuiger-, scroll-,

schroef- of centrifugaalmachine. De aandrijving daarvan

geschiedt meestal met een elektromotor, waarbij de uitvoe-

ring van de verbinding tussen motor en compressor op n

van de volgende wijzen is uitgevoerd:

- hermetische compressor, de speciale motor en de com-

pressor zijn direct gekoppeld en gezamenlijk in n

(meestal gelaste) behuizing ondergebracht; de motor

wordt gekoeld door het aangezogen (gasvormig) koude-middel, waardoor de energie-efficiency verlaagd wordt.

Door de gasdichte behuizing is lekkage van koudemiddel

niet te verwachten. Deze uitvoering is gebruikelijk voor

zuiger- en scrollcompressoren met motorvermogens tot

15 kW;

- semi-hermetische compressor, de motor en compressor

zijn direct gekoppeld via een flensverbinding, maar de

behuizing is gedeeltelijk toegankelijk waardoor eenvou-

dig onderhoud mogelijk is. Afhankelijk van het fabrikaat

vindt soms vanaf een motorvermogen van 1 kW, en boven

8 kW altijd, de koeling van de motor plaats met het aan-

gezogen (gasvormig) koudemiddel, hetgeen dus de ener-

gie-efficiency nadelig benvloedt. Omdat ook hier een

asafdichting ontbreekt, is er geen kans op lekkage van

het koudemiddel via compressor of asverbinding;

- open compressor, de normmotor is direct via een koppe-

ling, of indirect met een snaaroverbrenging verbonden

met de compressor. De motor is meestal luchtgekoeld wat

een gunstig effect heeft op de energie-efficiency van de

koelinstallatie. Hier is een zeer goede asafdichting van de

compressor vereist om lekkage van koudemiddel te voor-

komen. Deze uitvoering is in de chemische industrie envoor motorvermogens vanaf 25 kW de meest gebruikelij-

ke.

Het koelen van de elektromotor door het aangezogen gas

vanuit de verdamper vermindert het beschikbare koelvermo-

gen van de compressor. Uitwendig gekoelde typen, waarbij

het zuiggas dus direct naar de compressor stroomt, hebben

circa 8% meer koelvermogen. Bovendien is het principieel

efficinter om met omgevingslucht te koelen.

Bij de open compressoren is er een vrije keus in het type

motor. Daarom is het aan te raden om in die gevallen een

hoogrendementsmotor te kiezen, die een circa 3% hoger ren-dement heeft dan de standaardmotor bij ongeveer gelijke

investeringskosten, ref 3.

Bij het vergelijken van koelcompressoren voor een bepaalde

toepassing kan de Europese norm EN 12900, ref.17als basis

dienen om de compressoren van diverse typen en fabrikan-

ten met elkaar te kunnen vergelijken.

4.1.2ZuigercompressorenZuigercompressoren worden bij koelmachines nog veelvuldig

toegepast, zelfs bij wat grotere vermogens, waarbij gedacht

kan worden aan 8 tot 24 cilinders per machine, figuur 9. Het

is nog steeds gebruikelijk om oliegesmeerde cilinders toe tepassen, omdat olievrije compressoren zeer kostbaar zijn.

4.1.3Scroll compressorenVoor de kleinere koelvermogens tot 40 kW staan ook scroll-

(spiraal-)compressoren ter beschikking. Dit zijn compres-

soren die een vast en een roterend element hebben, waarbij

het koudemiddel in een groef van de rotor in de richting van

de as gecomprimeerd wordt. Ze zijn als hermetische com-

pressor uitgevoerd en alleen in standaard koelapparatuur

(airconditioning, kleine koelen vriesinstallaties en in het

bijzonder transportkoeling) ingebouwd.

Ten opzichte van de zuigermachines hebben ze minder tril-lingen en een lagere geluidsbelasting. Bij toepassingen boven

0C is de energie-efficiency hoger dan die van de zuigercom-

pressoren; beneden 0C is de zuigercompressor te prefere-

9


10/20

ren, al nemen de toepassingsmogelijkheden en het rende-

ment van de scrollcompressoren sterk toe.

Figuur 9. Zuigercompressor met 12 cilinders

4.1.4 SchroefcompressorenHet gebruik van schroefcompressoren in de koudetechniek

neemt nog steeds toe. De meest toegepaste zijn de oliege-

smeerde tweeschroefscompressor en de enkelschroefscom-

pressor, al of niet met een booster of economiser voor lagereverdampingstemperaturen, figuur 10.

De schroefcompressor kan met een grotere drukverhouding

opereren dan de zuigercompressor en is, omdat er minder

bewegende delen zijn, meer geschikt om langdurig en onder

zware belasting te functioneren. In tegenstelling tot de zui-

gercompressor heeft de schroefcompressor een vaste volume-

verhouding, afhankelijk van de constructie en geometrie.

Bij de moderne schroefcompressoren is het mogelijk om de

inwendige geometrie aan te passen aan de gewenste drukver-

houding tussen de verdamper- en de condensordruk in het

systeem.

De compressiewarmte wordt voor een groot gedeelte opgeno-

men door de smeerolie die in de compressor genjecteerd

wordt, waarbij de olie tevens de afdichting bij de rotoren ver-

zorgt.

4.1.5 Centrifugaal compressorenDaar waar grote volumestromen koudemiddel gecompri-

meerd moeten worden, kan de centrifugaalcompressor toege-

past worden, bijvoorbeeld bij grote water- of pekelkoelmachi-nes. De eerste koelmachine met een centrifugaal compressor

is reeds in 1922 gentroduceerd. Vanaf een capaciteit van

1200 kW kunnen centrifugaalmachines voor toepassing in

aanmerking komen, beneden 1200 kW wordt toch meestal

een schroefcompressor gekozen. De centrifugaalmachines

zijn in het algemeen geselecteerd, passend bij de verdampers

en condensors van de leverancier, en worden dan als stan-

daardpakket geleverd met het koudemiddel R-134a.

Voor grote capaciteiten en bijzondere omstandigheden kun-

nen centrifugaalkoelmachines ook volgens specificatie van

de gebruiker geleverd worden. Deze hebben de beste energie-

efficiency bij een langdurig bedrijf met een redelijk constan-te belasting.

10

Figuur 10. Enkeltrapsschroefcompressor


11/20

Indien langdurig ook bij deellast geopereerd wordt, kan de

fabrikant speciale voorzieningen treffen om de energieverlie-

zen te beperken. Bij de nieuwste standaardmachines met R-

134a is het expansieventiel vervangen door een expansietur-

bine waardoor de energie-efficiency met circa 10% wordt ver-

beterd, figuur 11. Het energieverbruik is circa 0,16 kW per

kW koelvermogen, dus een C.O.P. van 6,2.Een andere mogelijkheid om de energie-efficiency te verbete-

ren, is gebruikmaking van een economiser bij tweetrapscom-

pressoren: de drukverlaging van condensor- naar verdamper-

druk vindt dan in twee trappen plaats, waarbij het flashgas

na de eerste drukverlaging direct tussen de eerste en de

tweede trap van de compressor wordt ingebracht, dit heeft

bijna hetzelfde effect op het rendement als een expansietur-

bine.

Centrifugaalmachines worden bij voorkeur toegepast bij

langdurige belasting en grote capaciteiten.

4.2 CondensorsHet oververhitte gasvormig koudemiddel wordt in de con-densor achtereenvolgens gekoeld tot de condensatietempera-

tuur en gecondenseerd. De condensor kan de opgenomen

warmte uit het koudemiddel afvoeren naar een koelmiddel

(lucht, water), als tussen beide media een temperatuurver-

schil is dat groot genoeg moet zijn om de vereiste capaciteit

te realiseren en klein genoeg om de systeemtemperatuur zo

laag mogelijk te houden. Het selecteren van een grotere con-

densor leidt tot lagere condensatietemperaturen en dus tot

lagere operationele kosten. Een evaluatie van enige varianten

is meestal nodig om te komen tot een economisch haalbare

en energie-efficinte oplossing.

De meest toegepaste typen condensor zijn:

- watergekoelde condensor, de warmtewisselaar kan de

vorm hebben van een pijpenbundelwarmtewisselaar,

waarbij het koelwater door de pijpen stroomt. Ter beper-

king van het koudemiddelvolume kan echter ook een

(gedeeltelijk gelaste of hardgesoldeerde) platenwarmte-

wisselaar toegepast worden. De haalbare condensatietem-

peratuur is voor Nederland in het warme jaargetijde:

- bij doorstroomsystemen met bronwater, circa 20 25C;

- bij doorstroomsystemen met oppervlaktewater, circa

30 35C;

- bij circulatiesystemen met koeltorenwater, circa 32

35C. Dit systeem heeft vrijwel dezelfde energie-effi-

ciency als de verdampingscondensor (zie verder).

De condensatietemperatuur wordt in het algemeen gere-

geld door variatie van de hoeveelheid circulerend koelwa-

ter;

- luchtgekoelde condensor; deze bestaat meestal uit een

rechthoekig blok, opgebouwd uit pijpen (koudemiddel

door de pijpen). De pijpen zijn uitwendig voorzien vanopgeperste lamellen ter verbetering van de luchtzijdige

warmteoverdracht. De af te voeren warmte wordt opgeno-

men door langs en door het blok stromende buitenlucht.

Daartoe is iedere luchtgekoelde condensor voorzien van

n of meerdere ventilatoren. Afhankelijk van de toepas-

sing wordt gebruik gemaakt van koperen pijpen met alu-

minium lamellen (niet geschikt voor ammoniak), volbad-

verzinkte stalen pijpen en lamellen, volledig uit roestvast-

staal vervaardigde condensorblokken en volledig uit alu-

minium vervaardigde condensorblokken. In een zoute en

corrosieve omgeving kunnen koperen vinnen toegepast

worden, maar wordt meestal een beschermlaag op hetwarmtewisselend oppervlak aangebracht.

De condensatietemperatuur is afhankelijk van de tempe-

11

Figuur 11. Centrifugaal koelmachine met expansieturbine


12/20

ratuur van de aangezogen buitenlucht. In de zomer kan

de condensatietemperatuur daarbij oplopen tot 45

50C. Omdat onder winterse omstandigheden de conden-

satiedruk zodanig laag kan worden dat onvoldoende

drukval (tussen condensatiedruk en verdampingsdruk)

over het expansieventiel wordt gecreerd, wordt te weinig

vloeibaar koudemiddel ingespoten, met als gevolg dat de

verdampingsdruk en -temperatuur gaan dalen. Men

spreekt dan van overcondensatie. Door bijvoorbeeld n

of meerdere ventilatoren uit te schakelen, of van een toe-

renregeling te voorzien, kan de condensatiedruk kunst-

matig voldoende hoog worden gehouden (minder lucht

betekent minder afvoer van warmte);

- verdampingscondensor (bevloeide luchtgekoelde con-

densor), de bouw en werkwijze is grotendeels gelijk aan

die van de luchtgekoelde condensor, met dien verstande

dat er gladde condensorpijpen zijn toegepast die uitwen-

dig nog besproeid worden met water. Door die bevloeiing

is de temperatuur van de buitenzijde van de condensor-pijpen gelijk aan de heersende natte boltemperatuur van

de omgevingslucht. Daardoor is de haalbare condensatie-

temperatuur in de zomer bij dit systeem circa 30 35C.

De consequenties van een verdampingscondensor zijn:

- een watercirculatiesysteem met verdamping en suppletie,

dus bijkomend water- en energieverbruik;

- chemische waterbehandeling;

- meer kans op uitwendige vervuiling van de condensorpij-

pen dan bij de luchtgekoelde condensor.

In de brochure Luchtgekoelde warmtewisselaars wordtmeer in detail op deze materie ingegaan.

Uit het eerder vermelde blijkt dat de keuze van de methode

om de condensorwarmte af te voeren een sterke invloed

heeft op de condensatietemperatuur en dus op de energie-

efficiency.

Het energieverbruik van de genoemde drie typen condensors

ontloopt elkaar weinig:

- de watergekoelde condensor gebruikt energie voor de

pomp en voor de koeltoren;

- de luchtgekoelde condensor gebruikt energie voor de ven-

tilatoren;- de bevloeide condensor gebruikt energie voor de sproei-

pomp en de ventilatoren.

4.3 VerdampersDe uitvoering van de verdampers wordt, in tegenstelling tot

die van de condensors, veelal bepaald door het doel waar-

voor de verdampingsenergie gebruikt wordt:

- het koelen van lucht (of het direct koelen van een koel- of

vriesruimte);

- het koelen van een vloeistof (water, pekel of een koude-

drager);- het koelen van een emulsie;

- het koelen van een vaste stof;

- het koelen van een procesreactor.

Daarnaast wordt de uitvoering bepaald door de manier waar-

op het koudemiddel wordt ingespoten. Bij kleine systemen

gebeurt dit meestal via directe expansie. Bij grote systemen

(met bijvoorbeeld ammoniak) gebruikt men vaak badverdam-

pers, zogenaamde natte verdampers of flooded systemen.

De bekendste typen verdampers die voor de genoemde toe-

passingen in aanmerking komen, zijn:

- directe expansie lamellenblokken;

- verdampers met pompcirculatie;

- badverdampers;

- directe expansie pijpenwarmtewisselaars;

- platenwarmtewisselaars in diverse uitvoeringen;

- falling film verdampers met pijpen of verdamperplaten;

- dompelspiralen;

- geschraapte warmtewisselaars.

In de volgende paragrafen worden enige toepassingen behan-

deld.

4.3.1Het koelen van luchtBij het koelen van lucht ten behoeve van airconditioning of

koelen vriescellen wordt bij kleine systemen meestal directe

expansie in lamellenblokken of spiralen toegepast, waarbij

de lucht geforceerd door het blok of langs de spiraal of ser-

pentijn gevoerd wordt. Een lamellenblok bestaat uit een aan-

tal gevinde pijpen die in een blokvorm is samengebouwd.

Bij uittrede uit de verdamper dient alle vloeistof verdampt te

zijn om te voorkomen dat de compressor vloeistof kan aan-

zuigen. Daartoe handhaaft de regeling meestal een lichte

oververhitting van 6 10 K bij uittrede. Het gevolg hiervan isdat circa 25% van het koeleroppervlak nodig is voor overver-

hitting.

Bij toepassingen waarbij de temperatuur van het koelerop-

pervlak lager is dan 4C, vriezen de lamellen aan tengevol-

ge van vocht in de lucht, zodat er regelmatig ontdooid moet

worden. Door de vermindering van de warmteoverdracht

naar de lucht continu te meten, kan het ontdooiproces tijdig

gestart worden. Als het ijs op de lamellen ontdooid is, wordt

automatisch het ontdooien gestopt. Op deze wijze wordt ont-

dooid met een aanzienlijk hogere energie-efficiency dan bij

een op tijd gebaseerde schakeling.

De lamelafstand is bij luchtbehandeling circa 4,0 mm, voor

koeling 4 6 mm en bij vriestoepassingen 7 10 mm.

Bij grotere systemen wordt bij voorkeur pompcirculatie toe-

gepast. Daarbij wordt vanuit een vloeistofvat met afscheider

vloeibaar koudemiddel door de luchtkoelers gepompt.

4.3.2 Het koelen van vloeistofOm vloeistoffen te koelen staan diverse uitvoeringen van

warmtewisselaars ter beschikking, afhankelijk van de ther-

modynamische eigenschappen van koudemiddel en te koe-

len vloeistof.

- Pijpenbundelwarmtewisselaar (shell and tube). Bij drogeverdamping door middel van directe expansie zal het

koudemiddel door de pijpen vloeien en de te koelen

vloeistof door de romp. De romp is voorzien van keer-

12


13/20

schotten om een kruisstroom met het koudemiddel te

realiseren. In de pijpen bevindt zich een verdampende

vloeistof.

Bij meerdere, verspreid staande reactorvaten kan ook

gebruik gemaakt worden van natte verdamping met een

pompcirculatiesysteem dat de vloeistof vanuit een cen-

traal geplaatste afscheider transporteert naar de verbrui-

kers. Ten opzichte van de directe expansiemethode is bij

de circulatiesystemen de binnenwand van de pijpen

geheel bevloeid waardoor warmteoverdracht en capaci-

teit toenemen. Er kan ook een iets hogere verdampings-

temperatuur gehandhaafd worden, omdat er geen over-

verhitting aan het eind van de verdamper vereist is om

vloeistofslag in de compressor te voorkomen. De energie-

efficiency van de natte verdamping is hoger dan die van

de droge met directe expansie.

- Badverdamper. De badverdamper is een warmtewisselaar

met een grote capaciteit. Deze verdamper is uitgevoerd

als een liggende pijpenbundelwarmtewisselaar, waarbijde te koelen vloeistof door de pijpbundel stroomt en het

koudemiddel in de romp verdampt. Het koudemiddelni-

veau in de romp wordt zodanig geregeld, dat de bovenste

pijpen nog onder het vloeistofoppervlak blijven om een

perfecte warmteoverdracht tussen vloeistof en verdam-

pend koudemiddel te handhaven. In de ruimte aan de

bovenzijde van de romp vindt de afscheiding van vloei-

stof en gasvormig koudemiddel plaats. In plaats van in de

romp kan de afscheiding ook gerealiseerd worden in een

apart vat, geplaatst boven de warmtewisselaar.

- Platenwarmtewisselaar. In een platenwarmtewisselaar

stromen het koudemiddel en de te koelen vloeistof doorafzonderlijke kanalen die gevormd worden door de ruim-

ten tussen de tegen elkaar aangebrachte platen. Om lek-

kages te voorkomen worden de naden aan de koudemid-

delzijde hardgesoldeerd of gelast.

Platenwarmtewisselaars kunnen worden uitgevoerd als

natte (bevloeide) of als droge (directe expansie) verdam-

pers. Bij het natte type wordt een afscheider boven de

warmtewisselaar geplaatst. De voordelen van de platen-

boven de pijpenwarmtewisselaar zijn:

- hoge warmteoverdrachtscofficint;

- een kleiner temperatuurverschil tussen koudemiddel

en procesvloeistof, waardoor de verdampingstempera-tuur van het koudemiddel hoger kan zijn;

- zeer compacte bouwvorm;

- kleinere koudemiddelinhoud van het systeem;

- de (niet-gelaste) proceszijde is eenvoudiger te reini-

gen.

Een bijzonder type platenwarmtewisselaar is de Q-plate,

die als verdamper of condensor is ontworpen met het

doel om het volume koudemiddel in een circuit zoveel

mogelijk te beperken en tegemoet te komen aan de vraag

naar warmtewisselaars voor indirecte systemen, met

behoud van de prestaties van een pijpenwarmtewisselaar.De constructie is in wezen een platenwarmtewisselaar in

een mantel (plate and shell), figuur 12.

Figuur 12. Opbouw van een Q-plate-warmtewisselaar

Indien de eigenschappen van de Q-plate worden vergele-

ken met de normale pijpenbundel warmtewisselaar, kun-

nen de volgende conclusies worden getrokken:

- het drukverlies en de koudemiddelinhoud zijn veel

lager dan bij pijpenwarmtewisselaars;

- de warmteoverdrachtsprestaties per m2 oppervlak van

de Q-plate-warmtewisselaar als condensor zijn verge-

lijkbaar met die van de pijpenbundel, maar als ver-

damper slechts de helft tengevolge van een minder

goede verdeling van het koudemiddel. Om hieraantegemoet te komen is bij directe verdamping de Q-plate

als twee-pass verdamper uitgevoerd, zie figuur 13;

- de warmteoverdrachtsprestaties per m2 oppervlak

Q-plate-warmtewisselaar zijn minder gevoelig voor

debietvariaties dan bij pijpenwarmtewisselaars;

- de Q-plate-warmtewisselaar is in het algemeen twee

maal compacter dan de pijpenwarmtewisselaar. Het

gewicht is slechts 25% van dat van een pijpenbundel;

- een nadeel is dat de Q-plate-warmtewisselaar niet

toegankelijk is en alleen met spoelvloeistoffen is te

reinigen;

- de warmteoverdrachtsprestaties per m

2

oppervlakQ-plate-warmtewisselaar zijn voor de gebruikelijke

koudemiddelen vergelijkbaar.

Figuur 13. Directe verdamping in Q-plate-warmtewisselaar

- fallingfilmverdamper. Dit is een type verdamper, ontwik-

keld als vervanger van de badverdamper: de oudere

modellen bestaan uit verticaal opgestelde pijpen, de

moderne falling film verdamper is echter opgebouwd

uit een aantal verticaal opgestelde roestvrijstalen verdam-

perplaten, waarbij het koudemiddel door de verdamper-

platen stroomt. Het te koelen water stroomt als een

dunne film langs het oppervlak van de platen en valt als

ijswater van 1C in een er onder geplaatste opvangbak.

Het voordeel van dit type is de grote capaciteit per m2

ver-damperoppervlak en dat met hetzelfde rendement als de

badverdamper, minder koudemiddel volume gerealiseerd

wordt.

13


14/20

4.3.3 Het koelen van emulsiesOm emulsies te koelen wordt in het algemeen degeschraap-

te warmtewisselaartoegepast. De te koelen emulsie stroomt

hierbij over de verdamperplaten, terwijl de gekoelde emulsie

van de platen geschraapt wordt.

4.3.4 Het koelen van vaste stoffenHet koelen van vaste stoffen komt veel voor in de voedselin-

dustrie, waar producten snel ingevroren dienen te worden.

De gebruikelijke methode is daarbij om het product tussen

twee platen (plate freezers) te leiden, waarin het koude-

middel verdampt.

4.3.5 Het koelen van een procesreactorIn de industrie wordt veelvuldig gebruik gemaakt van directe

expansieop een reactorvat. De verdamping van het koude-

middel geschiedt dan in een spiraalvormige warmtewisselaar

op de wand van het reactorvat, in het vat, of door een in dewand gentegreerde platenwarmtewisselaar.

Indien er koeling op meerdere procesreactoren vereist is

waarbij het temperatuurniveau ongeveer gelijk is, wordt in

het algemeen natte verdampingvia pompcirculatie toege-

past. De verdamper is ook hier meestal uitgevoerd als uitwen-

dige spiraal op de wand of als inwendige dompelspiraal.

5 Regeling

In elk koelsysteem worden twee regelkringen onderscheiden,

Ref. 8:

- hoofdregelkring. Deze draagt zorg voor de afstemming

van de koudevraag (de belasting) op het koude aanbod

van de koelinstallatie. Deze regelkring regelt de verdam-

pingstemperatuur, het koudemiddeldebiet van de com-

pressor en de afstemming van beide grootheden;

- interne regelkring. De interne regelkring regelt de onder-

linge afstemming van de apparatuur van de koelinstalla-

tie. Deze is afhankelijk van het type koudemiddel en

geschiedt onder meer door het drukverschil tussen ver-

damper en condensor te handhaven en het debiet van de

koelkringloop door het expansieventiel te regelen.

Voor de compressorregeling kan de brochure, Capaciteits-regeling roterende apparatuur aanvullende informatie ver-

schaffen.

5.1 HoofdregelkringDe hoofdregeling omvat de capaciteitsregeling van de koel-

compressoren enerzijds en de temperatuurregeling van het

te koelen object anderzijds.

5.1.1 CapaciteitsregelingDe regeling van de capaciteit van zuigercompressoren, boven

7,5 kW motorvermogen, geschiedt op n van de volgende

manieren:

- kleplichting, door de zuigklep(pen) te lichten wordt het

aangezogen gas gedeeltelijk weer teruggedrukt tijdens de

compressieslag naar de zuigleiding;

- toerenregeling, de regeling van het toerental is mogelijk

tot het punt dat de pulsaties van de zuigerbeweging het

proces gaan storen en is niet mogelijk beneden een, door

de compressorfabrikant opgegeven, minimum toelaat-

baar toerental waarbij een goede smering nog kan wor-

den gegarandeerd;

- persgas recirculatie, dit is een omloopregeling tussen uit-

laat en inlaat, waarbij het debiet in de koudecyclus wordt

geregeld, maar niet het verplaatste compressorvolume.

De laatste methode heeft de laagste energie-efficiency omdat

het opgenomen vermogen van de compressor bij deel- en vol-

last gelijk is. Bij de methoden met kleplichting en toerenre-

geling is het opgenomen vermogen (bij deellast tot 50%)

evenredig met de capaciteitsvermindering.

Bij grote variaties van de capaciteit is het schakelen van

meerdere, parallel draaiende, compressoren een energie-effi-

cinte methode.

Voor de capaciteitsregeling van schroefcompressoren zijn

twee methoden beschikbaar:

- regeling compressievolume, een schuif regelt de lengte

van het actieve deel van de rotor, waardoor bij deellast

slechts een deel van de rotoren het koudemiddel compri-

meert. Bij nullast wordt dan circa 50% van het maximum

vermogen opgenomen. Het is daarom niet efficint om

deze compressoren beneden 60% te belasten, alhoewel de

regeling de belasting tot 10% kan terugregelen;

- toerenregeling, door een betere fabricage en smeertech-

niek is het nu mogelijk om ook schroefcompressoren teregelen door variatie van het toerental. Hierbij wordt de

hoogste energie-efficiency behaald.

De capaciteitsregeling van centrifugaalcompressoren kan

geschieden door:

- regeling met inlaatschoepenregeling, geeft weinig ener-

gieverlies;

- persgasrecirculatie (hotgas bypass), dit geeft geen ener-

giebesparing;

- toerenregeling, komt zelden voor bij centrifugaalmachi-

nes, maar is zeer efficint mogelijk tot een deellast van

70%.

Indien een centrifugaal koelmachine gedurende een groot

deel van het jaar op deellast moet draaien, is het aan te

raden om daarvoor speciale voorzieningen aan te laten bren-

gen zodat er met een zo goed mogelijke energie-efficiency

geopereerd kan worden. Als alternatief kan in een dergelijke

situatie het gebruik van twee of meerdere schroefcompres-

soren overwogen worden.

5.1.2 TemperatuurregelingDeze regeling verzorgt het handhaven van de gewenste tem-

peratuur van het product of de gekoelde ruimte. Vaak is ersprake van meerdere verbruikers, aangesloten op hetzelfde

koelcircuit. De temperatuurregeling is dan een samenspel

van meerdere verbruikers met de koelmachine. De in aan-

14


15/20

merking komende regelmethoden zijn:

- aan/uit regeling;

- zuigdrukregeling;

- zuigdrukregeling en compressor vollastbedrijf.

5.1.2.1 Aan/uit regelingDeze regeling wordt meestal toegepast als er slechts n ver-

bruiker is aangesloten op de koelinstallatie. Bij overschrijden

van de ingestelde temperatuurband wordt de compressor

gestart en bij onderschrijden weer gestopt. Hierbij wordt de

verdamperdruk niet geregeld omdat die afhankelijk is van de

belasting op de verdamper en van het door de compressor

verplaatste koudemiddelvolume.

Het is een eenvoudig systeem met als nadelen de grove rege-

ling en het frequent schakelen van de compressor. Meestal

wordt geadviseerd om de compressor na iedere uitschakeling

pas na 10 minuten stilstand weer in te schakelen. Door de

grove regeling is de verdampertemperatuur lager ingestelddan nodig is bij een fijnere regeling. Hierdoor wordt de ener-

gie-efficiency verlaagd.

5.1.2.2 ZuigdrukregelingDe zuigdrukregeling wordt toegepast indien er meerdere ver-

bruikers zijn, eventueel in combinatie met meerdere com-

pressoren.

Als de ingestelde temperatuur van een verbruiker wordt over-

schreden, zal de thermostaat de koeling in werking stellen

door de koudemiddeltoevoer naar de betreffende verdamper

te openen. Bij de zuigdrukregeling wordt getracht de zuig-

druk binnen een zekere bandbreedte te handhaven. Indiendan de zuigdruk in het systeem wijzigt, zal compressorcapa-

citeit worden bij- of afgeschakeld.

Bij zuigercompressoren wordt de capaciteit gewijzigd door

kleplichting of toerenregeling. Bij halvering van het com-

pressordebiet zal bij de kleplichting het opgenomen vermo-

gen met 40 tot 45% dalen. Bij toerenregeling neemt het opge-

nomen vermogen zelfs meer dan evenredig af.

De capaciteit van schroefcompressoren wordt aangepast door

de effectieve schroeflengte te wijzigen of door toerenrege-

ling. Bij halvering van het compressordebiet door verminde-

ring van de schroeflengte neemt het opgenomen vermogenmet slechts 30% af. Bij toerenregeling van de schroefcom-

pressor is het opgenomen vermogen rechtevenredig met het

toerental.

Het belangrijkste nadeel van de regeling op zuigdruk is dat

de verbruiker met de laagste temperatuur de verdampings-

temperatuur bepaalt, die dan tevens geldt voor de andere

verbruikers. Dit heeft tot gevolg dat de andere verbruikers

met een lagere C.O.P. werken. Per verbruiker kan de individu-

ele verdampingstemperatuur, door het gebruik van een tus-

sen de verdamper(s) en de compressor(en) gemonteerde zuig-

drukregelaar, worden ingesteld op de verlangde zuigdruk.

5.1.2.3 Regelen op zuigdruk en vollastbedrijfDoor de bandbreedte van de zuigdrukregeling te vergroten,

kunnen de perioden dat de compressoren op vollast draaien,

worden verlengd en het aantal schakelingen worden vermin-

derd. Dit verbetert de energie-efficiency ten opzichte van de

situatie met frequent schakelende en op deellast werkende

compressoren.

Indien het mogelijk is om een zodanige cordinatie tussen

de verbruikers te realiseren dat de compressoren van een

centrale koel-/vriesinstallatie ofwel volbelast draaien of uitge-

schakeld zijn, is het mogelijk om een grotere zuigdrukdiffe-

rentie in te stellen. Een specifieke uitvoering van deze rege-

ling wordt de mogen/moeten regelinggenoemd die,

gecombineerd met de balansregeling, de volgende kenmer-

ken heeft:

- de compressoren werken volbelast of zijn uitgeschakeld;

- de verdampingstemperatuur is op een zo hoog mogelijke

waarde ingesteld;

- verbruikers met dezelfde verdampingstemperatuur wor-

den groepsgewijs gekoeld;- ten behoeve van warmteterugwinning worden warmte-

aanbod en -afname gecordineerd.

In verband met het streven naar een zo hoog mogelijke

instelwaarde van de verdampingstemperatuur worden per

verbruiker de toelaatbare afwijkingen van de geregelde tem-

peratuur naar boven en beneden ingesteld. Door deze instel-

ling en de gemeten waarden met elkaar te vergelijken, kan

per verbruiker worden vastgesteld dat:

- er moet worden ingeschakeld;

- er moet worden uitgeschakeld;- er mag worden ingeschakeld, (maar niet noodzakelijk);

- er mag worden uitgeschakeld, (maar niet noodzakelijk).

Door deze regelmethode wordt pendelen van compressoren

en verbruikers voorkomen. De compressoren werken zo veel

mogelijk bij vollast hetgeen energieverliezen tengevolge van

deellast voorkomt.

Door de groepsgewijze indeling is het mogelijk om de ver-

bruikers met lage verdampingstemperaturen te koelen als de

verbruikers met een hoge verdampingstemperatuur zijn uit-

geschakeld en omgekeerd.

Ook kan de regeling het warmteaanbod van de condensor

efficint inzetten voor verwarmingsdoeleinden.

5.2 Interne regelkringDe interne regelkring draagt zorg voor het handhaven van

het drukverschil tussen condensor en verdamper en regelt de

koudestroom door het expansieventiel.

De uitvoering van de interne regeling van de koelkringloop

is afhankelijk van het feit of er droge of natte verdamping

wordt toegepast. Bij droge verdamping wordt het vloeibare

koudemiddel na het expansieventiel direct in de verdamper

ingespoten, verdampt en enigszins oververhit. Onder natte

verdamping wordt verstaan het rondpompen van het vloeiba-

re koudemiddel vanuit een vloeistofvat naar de verbruikers,waar het gedeeltelijk verdampt en als damp/vloeistof terug-

gevoerd wordt.

Voor de kleinere koelvermogens tot 100 200 kW wordt vaak

15


16/20

gekozen voor directe verdamping.

Vanaf 100 kW koelvermogen komt natte verdamping in aan-

merking. Bij ammoniakinstallaties wordt meestal voor natte

verdamping gekozen.

5.2.1 Droge verdampingBij het droge of directe expansiesysteem is het expansieor-

gaan geplaatst in de vloeistofleiding vr de intrede van de

verdamper, dus tussen het gedeelte met de (hoge) condensa-

tiedruk en de (lage) verdampingsdruk. Het expansieventiel

regelt de koudemiddelstroom naar de verdamper. De rege-

ling van die stroom is zodanig afgesteld dat geen vloeistof

door de compressor kan worden aangezogen.

5.2.1.1 Thermostatisch expansieventielHet thermostatische expansieventiel wordt algemeen toege-

past voor directe expansiesystemen.

Een temperatuuropnemer op de verdamperuittrede regelt

door middel van een mechanische verbinding de doorlaatvan het ventiel dat vr de verdamper is geplaatst. De opne-

mer bepaalt de oververhitting van het uittredende gas. Bij

teveel oververhitting opent het ventiel.

Het debiet van het koudemiddel door het ventiel is afhanke-

lijk van de doorlaatopening, maar ook van het drukverschil

tussen condensor en verdamper. Het drukverschil neemt af

door verhoging van de verdamperdruk of verlaging van de

condensordruk. Een te klein drukverschil leidt tot minder

inspuiting van vloeibaar koudemiddel en daarmee tot een

kleinere koelcapaciteit. De ingestelde oververhitting is 6 tot

10 K.

Een niet goed ingesteld expansieventiel kan leiden tot ernsti-ge compressorschade. Zo kan een te veel aan ingespoten kou-

demiddel (te kleine overhitting), vloeistofslag ten gevolge

hebben en kan een te grote overhitting soms tot oververhit-

ting van de compressor leiden.

Tegenwoordig zijn er, uitgaande van het oorspronkelijke ont-

werp van het thermostatische expansieventiel, verbeteringen

aangebracht die er voor zorgen dat de verdamper optimaal

wordt gevuld (kleiner oververhittingsgebied) en kan werken

bij lagere condensatietemperaturen (kleiner drukverschil en

dus een lager energieverbruik).

Voorbeelden zijn expansieventielen voorzien van een thermi-

sche sturing en expansieventielen met een drukverhogings-unit. Deze uitvoeringen zijn echter minder gebruikelijk

geworden sinds de introductie van het elektronisch expan-

sieventiel.

5.2.1.2 Elektronisch expansieventielBij een elektronisch expansieventiel stuurt een regelaar een

klepmotor aan, die de doorlaatopening van het expansieven-

tiel instelt.

Elektronische expansieventielen kunnen een oververhitting

van 4 tot 5 K realiseren. Deze expansieventielen hebben een

groter regelbereik dan de mechanische thermostatische

expansieventielen: van 10 tot 100%. Dit houdt in dat de con-densatietemperatuur tot +15C in de koudere jaargetijden

teruggeregeld kan worden, waardoor de energiebesparing

kan oplopen tot 15 20%.

5.2.2 Natte verdampingBij natte (flooded) verdamping of pompcirculatie circuleert

het koudemiddel met behulp van een pomp vanuit een lage-

druk vloeistofvat naar n of meerdere verdampers. Nadat

het koudemiddel gedeeltelijk verdampt is, stroomt het vloei-

stof-/dampmengsel terug naar de vloeistofafscheider. Het

opvallende verschil met de droge expansie is, dat bij het

natte systeem het debiet van het koudemiddel door het

expansieorgaan niet afhankelijk is van de koudemiddel-

stroom door de verdampers. Een vlotter regelt de vloeistof-

stroom naar de afscheider van het koelsysteem door het

vloeistofniveau in de afscheider te meten met behulp van

een niveausensor. Het niveau in het vloeistofvat wordt door

de regeling constant gehouden onder alle belastingen, zie

figuur 14.

6 Secunda ire koudedragers

6.1 AlgemeenSecundaire koudedragers zijn warmteoverdrachtsmedia die

in de verdamper gekoeld worden door het koudemiddel en

via pompcirculatie warmte opnemen van diverse verbruikers.

Vrijwel alle secundaire koudedragers nemen alleen voelbare

warmte op en geen latente. De uitzonderingen zijn koolzuur-

gas en ijsslurrie, die een faseovergang hebben van vloeibaar

naar gas, respectievelijk van vast naar vloeibaar.

De voordelen van het gebruik van een secundaire koudedra-

ger zijn velerlei:

- de koudemiddelinhoud is minder, waardoor de lekkage-

kans kleiner is. Het koudemiddel is alleen aanwezig in de

compressoren pompruimte; lekdetectie is eenvoudiger

evenals een eventuele reparatie;

- het maakt ondermeer de toepassing van milieuvriendelij-

ke, maar giftige of brandbare koudemiddelen mogelijk

zoals de natuurlijke koudemiddelen (kooldioxide en

ammoniak) en koolwaterstoffen.

Het nadeel bij gebruik van een secundaire koudedrager is,

dat er extra pompenergie nodig is die weggekoeld dient teworden en dat er een extra warmteoverdracht plaatsvindt

met energieverlies. Dit verlies resulteert in een groter ver-

schil tussen verdampings- en condensatietemperatuur. Bij

16

Figuur 14. Schema van een lagedrukniveauregeling


17/20

een goed ontwerp, en vooral bij toepassing van een natuur-

lijk koudemiddel zoals ammoniak, wordt dit nadeel teniet

gedaan en kan zelfs sprake zijn van een kleine positieve

invloed op het energiegebruik.

6.2 Typen koudedragerDe ter beschikking staande koudedragers zonder faseover-

gang zijn, onder andere, calciumchloride, d-Limone, ethanol,

ethyleenglycol, kaliumacetaat, kaliumformiaat en polypropy-

leenglycol en met faseovergang kooldioxide en water-ethanol

ijsslurrie (flow-ice).

Voor het selecteren van een koudedrager zijn de volgende

aspecten van belang:

- transport eigenschappen (viscositeit);

- thermodynamische eigenschappen;

- giftigheid en brandbaarheid;

- corrosie eigenschappen (materiaalkeuze leidingen enwarmtewisselaars);

- kostprijs.

Omdat het vriespunt van de koudedrager onder de toepas-

singstemperatuur van die koudedrager moet liggen, wordt

geadviseerd om altijd een koudedrager te selecteren met een

vriespunt dat minstens 5 K en bij voorkeur 8 K lager is dan

de laagste temperatuur in het systeem.

In vergelijking met de directe systemen voor warmteover-

dracht, zijn de meeste indirecte systemen niet beter als het

gaat om investeringskosten en energiegebruik. Een uitzonde-ring vormen de tweefasen koudedragers, zoals koolzuur en

water-ethanol ijsslurries, die op beide punten gunstig preste-

ren, ref. 9 en 10.

7 Koudebuffers

Om koude-energie te kunnen opslaan, staan twee verschillen-

de methoden ter beschikking:

- Het voelbare warmtesysteem; door sterke afkoeling van

een vaste of vloeibare stof wordt energie opgeslagen. Die

energie komt weer vrij door de massa te verwarmen. In

de meeste gevallen komt water als buffermedium in aan-merking, omdat water in ruime mate aanwezig is en een-

voudig in een vat is op te slaan, maar vooral omdat water

een goede warmteoverdrachtscofficint en een hoge

soortelijke warmte heeft. Dit systeem kan maar beperkt

worden toegepast, omdat de buffer relatief veel ruimte

vereist.

- Het latente warmtesysteem; door gebruik te maken van

de latente smeltwarmte van de thermische faseovergang

bij voldoende lage temperatuur. De stoffen die daarvoor

in aanmerking komen zijn water (ijsbufferen) en bij lage-

re temperaturen eutectische zoutoplossingen. Deze stof-

fen hebben bij het smelt- of stolpunt de eigenschap datenergie bij constante temperatuur wordt afgestaan of

opgenomen. De voordelen van deze methode zijn een

hoge opslagdichtheid en een eenvoudige energieregeling,

omdat de temperatuur tijdens de energietransformatie

constant is.

Een koudebuffer is een vat met vloeistof dat, door warmte af

te staan aan een verdampend koudemiddel, kristalliseert en

op momenten dat het proces dit vereist het opgeslagen koel-

vermogen door smelten weer afstaat. Om de buffer te laden

is een koelinstallatie nodig die energie levert op een lager

temperatuurniveau dan eigenlijk nodig is voor het proces.

Daardoor wordt de energie-efficiency van het gehele koelsys-

teem verminderd.

Een koudebuffer als onderdeel van een koelsysteem dient er

voor om grote variaties en pieken in het gevraagd koelvermo-

gen op te vangen en te egaliseren.

De koudebuffer vindt ook toepassing als noodkoeling ingeval

van stroomuitval en om de varirende productie van zonne-

en windenergie eventueel in de vorm van koude op te slaan.

Kleine koudebuffers in de vorm van losse pakketten kunnendienen om producten in containers of vaten te koelen gedu-

rende in- of extern transport.

Het belangrijkste doel van een koudebuffer is echter het ver-

minderen van de energiekosten van de koelmachine, want

de koellast van het te koelen proces wordt er niet door gewij-

zigd. Door de piekverbruiken op te vangen is het mogelijk

om een koelinstallatie te ontwerpen waarvan de capaciteit

dicht bij de gebruikscapaciteit ligt. De installatie is dan in

staat om langdurig met het beste rendement te functione-

ren. Omdat de buffering van koude-energie op een lager tem-

peratuurniveau plaatsvindt dan eigenlijk voor het proces

nodig is, is er meer compressie-energie vereist. Maar debesparingen liggen bij koudebuffers op het terrein van de

investeringen en de operationele kosten en kunnen in vele

gevallen ruimschoots opwegen tegen de vermindering van

de energie-efficiency.

7.1 IJsbuffersBij ijsbuffers komt de energie vrij bij 0C, dat wil zeggen dat

het procesmedium met 1 2C ter beschikking staat, afhan-

kelijk van het type ijsbuffer. De stollings- of smeltwarmte is

333 kJ/kg bij 0C. Om de buffer te bevriezen is een koelinstal-

latie nodig die bij 8 tot 10C energie levert.

Er zijn meerdere typen ijsbuffers:

- met uitwendige afsmelting of direct systeem. Bij dit type,

meestal ijsbankgenaamd, is er direct contact van het te

koelen water met het ijs. Het ijs wordt daarbij opge-

bouwd op verdamperpijpen of -platen die op hun beurt

staan opgesteld in een met water gevulde buffertank. Het

te koelen water doorstroomt deze buffertank en koelt af

doordat ijs wordt afgesmolten dat door een koelinstalla-

tie op de pijpen wordt aangevroren. De ijsdikte neemt

daarbij toe of af, afhankelijk van enerzijds de waterflow

en retourtemperatuur en anderzijds de capaciteit en

bedrijfstijd van de koelinstallatie, zie figuur15.

17


18/20

Figuur 15. IJsbank met uitwendig afsmeltsysteem

Bij het ontwerp van een ijsbank geldt een aantal criteria:

- een regelmatige ijsopbouw; vooral bij directe verdam-

ping moet rekening worden gehouden met het over-

verhittingsgebied;

- de plaats van de ijsdiktevoeler is kritisch; onder alle

omstandigheden moet worden voorkomen dat deijslagen op pijpen of platen aan elkaar groeien (ijs-

brugvorming);

- een gegarandeerde uitgaande watertemperatuur van

1 2C vraagt extra aandacht voor de plaats waar het

opgewarmde retourwater in de buffertank wordt

teruggevoerd.

Om een goede en gelijkmatige afsmelting van het ijs op de

pijpen te waarborgen, dient het water in de bak voldoende te

circuleren. Dit kan gerealiseerd worden door een roerwerk of

door luchtagitatie. In het algemeen geeft men de voorkeur

aan roerwerken, omdat bij gebruik van luchtagitatie er veel

kans is dat de lucht een hogere temperatuur heeft dan hetijswater en er meer kans op corrosie is (bij voorkeur koperen,

roestvaststalen of kunststofleidingen toepassen), figuur 16.

Figuur 16. IJsbank A met luchtagitatie resp. B met roerwerk

- met inwendige afsmelting of indirect systeem. Bij dit sys-

teem wordt een water/glycol-oplossing voor de gebruikers

door de koelmachine gekoeld c.q. door de gekoelde bui-

zen in de ijsbuffer. In de buffer wordt het ijs vanaf de

buiswand afgesmolten, zodat uiteindelijk de ijscilinders

door smelten uiteenvallen. De haalbare temperatuur van

de water/glycoloplossing is 3 4C. De energie-efficiencyvan dit systeem is door de extra warmteoverdracht lager

dan die van het directe systeem;

- hybride ijsbuffer. Om de problemen van de conventionele

ijsbanken (onbetrouwbare ijsdiktemeting, de mogelijke

vorming van ijsbruggen, cavitatie en corrosie) te voorko-

men, is de hybride ijsbuffer ontworpen. Dit systeem func-

tioneert met een ijsbuffer die ontladen wordt door een

water/glycol-oplossing en een additioneel watercircuit.

Daarbij is het vermogen per volume zo hoog dat met

minder ruimtebeslag gerekend mag worden. Ook kan de

proceswatertemperatuur tot op 0,5C van het vriespunt

komen. Ref 11;

- ijsopbouw bij fallingfilmverdampers. Bij fallingfilmver-

dampers, opgebouwd uit roestvaststalen platen, is het

mogelijk ijs op de platen te vriezen en dat periodiek van

de platen los te laten komen. Het gevormde ijs valt daar-

na in stukken in een opvangbak. Het warme retourwater

wordt in de bak gevoerd, mengt zich met het daar aanwe-

zige ijswater en ijs en zal zoveel van het ijs afsmelten tot

het 0C is geworden. Via pompen wordt daarna het ijswa-

ter afgevoerd naar de gebruikers.

In een op dit concept voortbordurend type en als alterna-tief voor de geschraapte warmtewisselaar, wordt het

gevormde ijs vermalen tot ijsslurrie die op haar beurt

naar de gebruikers kan worden geleid;

- geschraapte warmtewisselaar. Een van oudsher bekend

type voor het produceren van grote hoeveelheden "droog-

scherfijs" is de geschraapte warmtewisselaar, bestaande

uit een groot stalen vat waar op de wand ijs wordt aange-

vroren. Het ijs wordt dan op haar beurt, met behulp van

roterende messen, weer van de wand geschraapt. De

gevormde ijsschilfers vallen in een bak (de bin) en wor-

den vandaar als los ijs getransporteerd naar de gebruiker;

- de Flacker. Dit type bestaat uit een worm die in een rondhuis draait (de Flacker). Ook hier wordt ijs aangevroren

op de wand, dat door de worm wordt afgeschraapt.

7.2 Koudebuffers met eutectische zoutoplossingenIndien in een proces lagere temperaturen dan 0C vereist

worden, zijn andere stoffen dan water nodig. Dit zijn meest-

al eutectische zoutoplossingen die bij een constante tempera-

tuur verschillende dooifasen doorlopen. Bij voorkeur dient

de stollings- of smeltwarmte niet veel lager te liggen dan die

van water. De eutectica hebben een aantal specifieke ken-

merken, zoals geringe kristallisatiesnelheid, uitzetting,

onderkoeling en corrosie.De eutectica zijn in verband met mogelijke giftigheid en cor-

rosiviteit veelal verpakt in afgesloten kunststofbolletjes (bij-

voorbeeld polypropyleen). Een nadeel hiervan is dat de

18


19/20

warmteweerstand van de kunststof een negatieve invloed

heeft op de energie-efficiency.

Door de samenstelling van de eutectica te variren, kunnen

vele vriespunten gekozen worden. De kleur van de bolletjes

is het kenmerk voor een bepaald vriespunt. Deze bolletjes

zijn op hun beurt weer in een tank of bak opgesloten. Om de

koudebuffer te laden, dient de koelmachine koude te leveren

met een temperatuur die 20 K lager is dan de kristallisatie-

temperatuur. Dit benvloedt in sterke mate de energie-effi-

ciency van het systeem.

De grote uitzettingscofficint van eutectica leidt bij kristal-

lisatie tot een volumetoename van 10% en het hoge aandeel

minerale zouten in de eutectica (tot 50%) maakt het mengsel

zeer corrosief.

Ten opzichte van de ijsbanken is de rentabiliteit van de kou-

debuffers met eutectica voor lagere temperaturen sterker

afhankelijk van de tariefstructuur van de elektriciteitsvoor-

ziening. Vandaar dat momenteel de ijsbuffers een ruimereverspreiding gevonden hebben.

8 Maatregelen ter verbetering van de

energie-efficiency

Naast de reeds in de voorgaande hoofdstukken genoemde

mogelijkheden om de energie-efficiency te verbeteren, is er

extra aandacht nodig voor de smeerolie in een koelkringloop

en voor de ontluchting van het systeem om een optimale

warmtewisseling te handhaven.

8.1 SmeerolieDe oliehuishouding van een koelinstallatie is van veel belangvoor een goede werking. Zowel te weinig als te veel circule-

rende olie leidt tot storingen. Smeerolie in een koelinstalla-

tie is nodig voor de smering en koeling van de draaiende

delen van de compressor. Daarbij is belangrijk dat de in het

koudemiddel aanwezige olie (na de compressie) wordt afge-

scheiden en wordt teruggevoerd naar het compressorcarter.

Niet alle olie kan worden afgescheiden, waardoor een deel

(5 10%) met het koudemiddel mee door het koelsysteem zal

circuleren.

Daarom dient voor een storingsvrije werking bij het ontwerp

van een installatie extra aandacht besteed te worden aan de

leidingloop, de plaatsing van eventuele olieafscheider(s), dejuiste snelheden in de verdamper(s) en zuigleidingen en de

olienivellering bij meerdere compressoren.

Olie in combinatie met de moderne fluorkoolwaterstoffen

(HFKs) vraagt meer aandacht dan gebruikelijk was bij de

hydrochlorofluorkoolwaterstoffen (HCFK's) zoals R 22.

Omdat olie niet in ammoniak oplost, kunnen in de

koel-/vriesinstallatie problemen ontstaan, als de olie bijvoor-

beeld achterblijft in leidingen of verdampers en niet tijdig

(automatisch) wordt afgetapt.

Om te voorkomen dat olie zich door de gehele installatie kan

afzetten, is voor NH3 een oliewaskolom ontwikkeld, die effi-cinter functioneert dan de gebruikelijke olieafscheider. In

de normale afscheider worden alleen de oliedruppeltjes afge-

scheiden, maar in deze waskolom worden oliedamp en olie-

druppeltjes afgevangen. Het restoliegehalte zal minder dan 1

ppm bedragen.

Voor zuiger- en schroefcompressoren werden aparte typen

waskolommen ontwikkeld. Bij de zuigermachines vervangt

de waskolom de olieafscheider (zie figuur 17) en bij de

schroefcompressoren worden de olieafscheider en de oliekoe-

ler vervangen door de waskolom.

8.2 OntluchtenBij het ontluchten worden eventueel aanwezige niet-conden-

seerbare gassen afgevoerd. De niet-condenseerbare gassen

bestaan over het algemeen uit lucht tengevolge van onjuist

vacuumeren van de installatie bij nieuwbouw of reparaties;

door vullen met onzuiver koudemiddel en gassen ontstaan

bij uiteenvallen van smeerolie of koudemiddel. Deze niet-

condenseerbare gassen verhogen de condensatiedruk en

benvloeden daarmee het energiegebruik nadelig. De aanwe-

zige lucht (met vocht) bevordert bovendien het uiteenvallenvan de olie en daarmee de vorming van sludge in het sy-

steem.

De aanwezigheid van niet-condenseerbare gassen is te con-

stateren door te controleren of de verzadigingstemperatuur

19

Figuur 17. Oliewaskolom voor zuigercompressoren


20/20

van de vloeistof na de condensor overeenstemt met de heer-

sende vloeistofdruk. Niet-condenseerbare gassen zijn aanwe-

zig als de gemeten temperatuur na de condensor lager is dan

de druk behorend bij de verzadigingstemperatuur.

De automatische ontluchter (of purger) is een kleine koelin-

stallatie die gewo

Koeltechniek

Documents

Transcript of Koeltechniek