-Best Practice- Koeltechniek

Transcriptie

1 -Best Practice- Koeltechniek november /47

2 Inhoudsopgave 1 Inleiding Algemeen Koudefactor of C.O.P Type koelmachines en hun werking Compressiekoelmachine Absorptiekoelinstallatie Dauwpuntskoelers Werkgebied en ontwerpcondities Verdampings- en condensatietemperatuur Koelbelasting Bepalen koelmachinecapaciteit- en verdeling Ontwerp van het koelsysteem Eén- of meertrapscompressie, cascadesysteem Onderkoeling na condensatie en oververhitting na verdamping Gebruik van restwarmte uit het koelproces Koudemiddelen Milieutechnische en veiligheidsaspecten Eisen en verplichtingen RLK PGS 13 Ammoniak ATEX 95 (Richtlijn (94/9/EG)) PED NEN-en Koelwater Geluidsemissie Componenten van het koelsysteem Compressoren Algemeen Zuigercompressoren Scroll compressoren Schroefcompressoren Centrifugaalcompressoren Condensors Verdampers Het koelen van lucht Het koelen van vloeistof Het koelen van emulsies Het koelen van vaste stoffen Het koelen van een procesreactor november /47

3 5 (Deellast)regeling Hoofdregelkring Capaciteitsregeling Temperatuurregeling Aan/uit-regeling Zuigdrukregeling Regelen op zuigdruk en vollastbedrijf Interne regelkring Droge verdamping Thermostatisch expansieventiel Elektronisch expansieventiel Natte verdamping Secundaire koudedragers Algemeen Typen koudedrager Koudebuffers IJsbuffers Koudebuffers met eutectische zoutoplossingen Maatregelen ter verbetering van de energie-efficiency Smeerolie Ontluchten Ontwikkelingen Kortetermijnontwikkelingen Langetermijnontwikkelingen Referenties november /47

4 1 Inleiding 1.1 Algemeen Na de ontwikkeling van de warmteleer door Robert Mayer ( ) 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 onttrekken en daarna aan de omgeving af te staan, dan spreken we 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 er sprake van een warmtepomp. In figuur 1.1 is het principe van beide typen installaties weergegeven. Figuur 1.1Principe koelmachine en warmtepomp Deze brochure gaat over de ontwerpcondities voor de keuze van een koelinstallatie, vooral met het oog op de energie-efficiency. Daarbij komen aan de orde: 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). Een overzicht voor de keuze van het in november /47

5 de koelmachine circulerende koudemiddel vindt u in de brochure Koudemiddelen. In een aparte brochure Warmtepompen wordt de toepassing van warmtepompen en aquifers behandeld. 1.2 Koudefactor of C.O.P. Het energetisch rendement van een koelinstallatie wordt bij voorkeur uitgedrukt als de Coefficient of Performance (C.O.P.) of koudefactor. C.O.P. = Q o / P e, waarin: Q o P e = koelvermogen van de koelinstallatie in kw = opgenomen vermogen in kw Opgenomen vermogen is het totale opgenomen vermogen. Dus inclusief het vermogen van de ventilatoren, pompen en overige elektrische componenten. De keuze voor de condensatie- en verdampingstemperatuur van het koelproces heeft de meeste invloed op de C.O.P. In paragraaf 3.1 gaan we in op het effect van een nauwkeurige keuze. De relatieve invloed van die temperatuurkeuze is in figuur 1.2 weergegeven. Figuur 1.2Invloed van de keuze van condensatie- en verdampingstemperatuur op de C.O.P. november /47

6 2 Type koelmachines en hun werking Het rendement wordt bepaald door het werkingsprincipe en de uitvoering daarvan. De keuze voor het werkingsprincipe van de installatie hangt hoofdzakelijk af van het benodigde temperatuurniveau. Als er geen hergebruik van warmte of koude plaatsvindt, komt dit neer op het temperatuurverschil met de omgeving. Bij temperaturen bóven de omgevingstemperatuur is er geen of zeer beperkte externe energie nodig voor de koeling. Hoe meer de temperaturen onder de omgevingstemperatuur komen, hoe meer energie er nodig is en hoe lager het rendement van het systeem. 2.1 Compressiekoelmachine Bij de compressiekoelmachine wordt het gasvormig koudemiddel met een compressor op de condensordruk gebracht. Daarna 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 verdampt (zie figuur 2.1). Figuur 2.1Principeschema compressiekoelmachine Binnen de chemische industrie, maar ook daarbuiten, worden voornamelijk compressiekoelinstallaties gebruikt voor proceskoeling, luchtbehandeling en gekoelde opslag. Daarbij vormen de koudwatermachines of chillers voor water tussen 2 en 6 C, die vooral toegepast worden in luchtbehandelingsinstallaties, de grootste groep. De koudwatermachines 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 watergekoelde chillers is een C.O.P. mogelijk van 5,0, dat wil zeggen een energieverbruik van 0,2 kw per kw koelvermogen. Met centrifugaal compressoren voor koudwatermachines zijn koelcapaciteiten te realiseren van 1200 kw tot 7000 kw. Deze machines halen eveneens een C.O.P. van 5,0. In (chemische) processen zijn meestal veel lagere temperaturen vereist dan bij koudwatermachines. Koelinstallaties die hier in gebruik zijn, zijn in het algemeen op specificatie gebouwde apparaten met een aangepaste verdamper. Hier bestaat 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 tweetrapsuitvoering tot 500 kw. november /47

7 Enkeltrapsschroefcompressormachines zijn beschikbaar met koelcapaciteiten van 40 tot 6000 kw en in tweetrapsuitvoering van 200 kw tot 3000 kw. Het vermelde capaciteitsbereik van de diverse typen is slechts een grove indicatie. Een en ander is sterk afhankelijk van het toe te passen koudemiddel, de condensatietemperatuur en de gewenste verdampingstemperatuur. 2.2 Absorptiekoelinstallatie In een absorptiekoelinstallatie wordt energie direct in de vorm van warmte aan de koudecyclus toegevoerd. Het energetisch rendement van een absorptiemachine is lager dan dat van een compressie-installatie. Echter, dit nadeel wordt 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 worden gescheiden en weer samengevoegd (figuur 2.2). Een voorwaarde is dat het koudemiddel volledig wordt opgenomen door het oplosmiddel. Hieraan voldoen bijvoorbeeld de stofparen ammoniak met water (voor procestemperaturen onder 0 C) en water met lithiumbromide (voor koudwatermachines bij toepassing in air-conditioning). Figuur 2.2Principeschema absorptiekoelmachine De combinatie van absorber, circulatiepomp en uitdrijver noemen we ook wel de thermische compressor., analoog met de mechanische compressor bij de compressiecyclus. Bij kleine en huishoudelijke absorptiekoelkasten is de pomp vervangen door een systeem dat gebruikmaakt van de verschillen in partiële druk van het koudemiddel. De warmtebron voor de absorptiemachine kan restwarmte zijn. Dit in de vorm van stoom, heet water of een ander medium. De vereiste minimumtemperatuur is afhankelijk van de gewenste koeltemperatuur (figuur 2.3). november /47

8 Figuur 2.3Verband tussen temperatuur restwarmtebron en koeltemperatuur Ook is het mogelijk om via een aparte vuurhaard de verzadigde oplossing direct te verwarmen met aardgas of een andere brandstof. Bij de praktische uitvoering van de absorptiekoudwatermachine kunnen procesonderdelen met dezelfde procesdruk binnen één hermetisch gesloten drukvat gecombineerd worden. Bijvoorbeeld 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. Hierdoor is een energie-efficiencyverbetering mogelijk van 50%. (figuur 2.4). Figuur 2.4 Er zijn standaard uitvoeringen van absorptiekoudwatermachines (chillers) vanaf een koelvermogen van 200 kw tot capaciteiten van 6000 kw. De te behalen C.O.P. is voor een enkeltrapskoudwatermachine circa 0,70 (temperatuur warmtebron C), voor een tweetrapsmachine 1,20 (temperatuur warmtebron C) en voor een direct gestookte tweetraps 1,00 (brandstof aardgas of lichte olie). Het stoomverbruik van een enkeltrapsabsorptiekoudwatermachine is circa 2,3 ton/h (lage druk 2 à 3 bar) voor een capaciteit van 1000 kw bij 6 C koudwatertemperatuur. Een tweetrapsmachine heeft voor dezelfde koudwatertemperatuur een stoomverbruik van 1,3 ton/h (max. 9 bar). Ammoniak-/waterabsorptiemachines vinden meestal toepassing als industriële installaties met een koeltemperatuur tussen 0 en -20 C. Als warmte-overdrachtsmedium (koudedrager) komen daarbij oplossingen van calciumchloride, kaliumformiaat, ethanol of ethyleenglycol in aanmerking. Zie ook paragraaf 6.2. november /47

9 2.3 Dauwpuntskoelers Dauwpuntskoelers kunnen lucht in een beperkte mate afkoelen door de koelende werking van verdampend water. Wanneer een luchtstroom wordt bevochtigd, stijgt het vochtgehalte en daalt de temperatuur. Hoe droger de lucht, hoe meer de luchtstroom afgekoeld kan worden. Het grote voordeel van dauwpuntskoelers t.o.v. conventionele mechanisch aangedreven luchtkoeling is dat het energiezuinig is. Er is alleen elektriciteit nodig voor het aandrijven van de ventilator en (in sommige uitvoeringen) een kleine watercirculatiepomp. Er zijn twee uitvoeringen: de eenvoudige dessert-koeling en de indirecte dauwpuntskoeling. Bij dessert-koeling wordt warme, droge buitenlucht bevochtigd met water. Dit water verdampt en koelt de lucht. De afgekoelde, vochtige lucht wordt vervolgens de ruimte in geblazen. Dessert-koeling wordt in Nederland weinig toegepast. Dit omdat het vocht in de ruimte brengt, en de lucht praktisch niet verder afgekoeld kan worden dan 2K boven de natteboltemperatuur. Een indirecte dauwpuntskoeler brengt geen vocht in de ruimte en kan de lucht afkoelen tot onder de natteboltemperatuur. Dit wordt gerealiseerd door het terugvoeren van een deel van de gekoelde aanzuiglucht naar het natte deel van de koeler. Het deel van de afgekoelde lucht dat wordt teruggevoerd noemen we proceslucht. Deze proceslucht wordt bevochtigd in het natte deel en koelt daardoor nog verder af. Vervolgens stroomt de koude, vochtige proceslucht door een warmtewisselaar. De proceslucht koelt daar de aanzuiglucht af en de warme, vochtige proceslucht wordt uiteindelijk afgevoerd naar de omgeving. Het deel van de afgekoelde aanzuiglucht dat niet gebruikt wordt als proceslucht, wordt in de ruimte ingeblazen. De inblaaslucht is ongeveer 2/3 van de aanzuiglucht. Omdat er geen direct contact is van de inblaaslucht met water is er geen legio. Vergeleken met mechanisch aangedreven aircosystemen kan de indirecte dauwpuntskoeler niet ontvochtigen, en is de inblaastemperatuur hoger en tevens afhankelijk van de weercondities. In de praktijk is een inblaastemperatuur van ca. 1K boven de nattebol haalbaar. Wat betekent dit voor de inblaastemperatuur op het heetst van de dag? De globale maar simpele benadering is dat deze net iets boven de laagste temperatuur van de afgelopen nacht ligt. Rekening houdend met deze eigenschappen komen indirecte dauwpuntskoelers het best tot hun recht in deze twee toepassingen: - Voorschakeling bij een mechanisch aangedreven aircosysteem. De indirecte dauwpuntskoelers kunnen de verversingslucht voorkoelen. - Topkoeling van ruimtes waarin veel warmte vrijkomt en/of veel geventileerd moet worden. Voorbeelden: gaarkeukens, glazen showrooms. De indirecte dauwpuntskoelers worden dan toegapast i.c.m. verdringingsventilatie. november /47

10 3 Werkgebied en ontwerpcondities 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 al genoemde factoren die bepalend zijn voor de C.O.P. (zie paragraaf 1.2) zijn de kritische ontwerpfactoren: - de verdampings- en condensatietemperatuur; - de koelbelasting; - bepalen koelmachinecapaciteit; - het gekozen ontwerp voor het koelsysteem; - keuze koudemiddel; - milieutechnische en veiligheidsaspecten; - het type compressor; - (deellast)regeling. Op deze factoren gaan we hieronder nader in. 3.1 Verdampings- en condensatietemperatuur De C.O.P. stijgt door verkleining van het verschil tussen de verdampings- en condensatietemperatuur. TIP Elke graad (mogelijke) temperatuurverhoging van het proces levert een energiebesparing van 2-4% op het energiegebruik van de compressor. De keuze van de procestemperatuur is bepalend voor de verdampingstemperatuur van de koelinstallatie en daardoor mede voor de energie-efficiency van de koudeopwekking. Ook is de toelaatbare tolerantie op die procestemperatuur van belang voor de vorm waarin de proceskoeler moet worden uitgevoerd. - Als een bepaalde procestemperatuur een grote tolerantie 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, waarbij de temperatuur circa 6 à 8 K onder de procestemperatuur ligt. - Als de procestemperatuur een kleine tolerantie, of een klein temperatuurverschil tussen koelmedium en het te koelen product toelaat, kan een pompsysteem met afscheider worden toegepast. Ook kan de proceskoeler indirect via een koudedrager gekoeld worden. Bij het toepassen van een pompsysteem wordt er een overmaat aan vloeibaar koudemiddel door de verdamper gepompt. Dit betekent dat de uitgaande stroom nog nat is. In de afscheider worden vervolgens vloeistof en gas gescheiden. Het voordeel van dit systeem is dat de oppervlakte van de koeler gelijk blijft en dat de capaciteit van de koeler optimaal benut wordt. Bij het gebruik van een koudedrager (of secundair koelmiddel ) zoals glycol of pekel, is het temperatuurverloop van het oppervlak van de koeler gelijk aan het temperatuurverschil tussen in- en uitlaatstroom van de koudedrager. De temperatuur van het proces is dan november /47

11 regelbaar door debietregeling van het secundaire koelmiddel. Bij dit systeem is een aanmerkelijke besparing op de koudemiddelinhoud mogelijk met positieve milieueffecten. Het transport van de koude-energie vindt immers plaats door een koudedrager en niet door het koudemiddel. TIP Vuilopbouw en ontdooien van verdamper Een vuile of ingevroren verdamper heeft een verlaagde overdrachtscapaciteit. Om dit te compenseren moet de verdampingstemperatuur omlaag, wat extra energie kost. Het Regelmatig reinigen van de verdamper en een drukgestuurde ontdooi-regeling kunnen geld besparen. De condensatietemperatuur is afhankelijk van het medium waarmee de vrijkomende warmte van de condensor kan worden afgevoerd. Meestal is dat medium koelwater of omgevingslucht, soms een stofstroom die gebruik kan maken van deze restwarmte. In de brochures Waterkoeling en Luchtgekoelde warmtewisselaars gaan we nader in op deze aspecten. TIP Elke graad (mogelijke) temperatuurverlaging van de condensor levert een energiebesparing van 2-3% op het energiegebruik van de compressor. Het verdient aanbeveling om de keuze van de condensatietemperatuur goed te evalueren. De keuze heeft invloed op de volgende factoren: - de energie-efficiency van de koelinstallatie; - de afmetingen van de condensor; - de investeringskosten; - de geluidsemissie van de (luchtgekoelde) condensor. TIP Onnodige energieverliezen bij een condensor Niet alleen vuilopbouw op een condensor verhoogt onnodig de energiekosten. Ook een foute positionering van de condensor geeft (veel) extra energiekosten. Dit wordt veroorzaakt door recirculatie van warme lucht, blootstelling aan zonnestraling en het inwendig opvullen met vloeistof. Simpele eenmalige aanpassingen kunnen veel energie besparen. Tabel 3.1 laat het effect zien van de verdampingstemperatuur (to) en de condensatietemperatuur (tc) op de C.O.P. voor een schroefcompressor. Condities to/tc Koudemiddel Koelvermogen Opgenomen C.O.P. [ C] [kw] vermogen [kw] -5/30 NH ,31-10/30 NH ,45 november /47

12 -10/40 NH ,31-5/40 NH ,88 Tabel 3.1 Effect van proces- en condensatietemperatuur op de koudefactor bij een schroefcompressor 3.2 Koelbelasting De koelbelasting is de hoeveelheid warmte die uit het proces (of productopslag) afgevoerd moet worden om de gewenste temperatuur te handhaven. Om de koelbelasting te kunnen vaststellen moet het vereiste koelvermogen gedurende de bedrijfstijd bekend zijn, of zo goed mogelijk worden geschat. Daarbij maak je onderscheid in dag-, 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 optimale keuze van de koelinstallatie. Van belang zijn hierbij: - Procestemperaturen groeperen, als er in het proces diverse temperatuurniveaus gewenst zijn, is het raadzaam om te proberen deze in bijvoorbeeld twee temperatuurgroepen samen te voegen. In dat geval kan een tweetrapskoelmachine (c.q. een schroefcompressor met economiser) worden overwogen. - 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 isolatie van de gebruiker(s) en het leidingwerk. Koude-isolatie stelt hoge eisen aan onder andere de dampdichtheid. Meer informatie hierover vindt u 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 apparatuur bij sterk variërende debieten voorzien van een toerenregeling. Bij een gekoelde productopslag in gebouwen is de koelbelasting door het product dat opgeslagen wordt meestal relatief klein. In dit geval kun je de totale koelbelasting verlagen door: - De warmtebelasting via wanden, vloer en dak te verminderen; het aandeel hiervan in de koelbelasting is circa 20% waardoor een betere isolatie al spoedig rendabel is. - Het aantal luchtwisselingen als gevolg 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 automatische deuren. - De belasting door verdamperventilatoren te verminderen, zij vormen circa 15% van de belasting. Dit kan verbeterd worden door toepassing van hoogrendementsventilatoren, of ventilatoren met grotere diameters waardoor lagere toerentallen mogelijk zijn en door aan-/uitschakeling naar behoefte. - De verlichting te optimaliseren, deze vormt 10% van de koelbelasting en is te verminderen door hoogrendementsverlichting en tijdige uitschakeling. november /47

13 - Het verbeteren van de ontdooicyclus als de verdamper in de opslagruimte is geplaatst. Dit is soms verantwoordelijk voor 15% van de belasting (als, na het smelten van het ijs) het ontdooisysteem niet automatisch afschakelt. - Bij een gekoelde productopslag in tanks is alleen de warmtebelasting vanuit de omgeving via de wanden, de vloer en het dak relevant. Figuur Bepalen koelmachinecapaciteit- en verdeling Je wilt voorkomen dat een koelinstallatie met een te ruim of te krap koelvermogen ontworpen wordt of zijn deellastcondities niet met een goed rendement kan draaien. Daarom moet de koudevraag zo nauwkeurig mogelijk in kaart worden gebracht. Een nauwkeurigheid van 10% is gewenst. Daarbij moet ook rekening gehouden worden met toekomstverwachtingen. Elk deelproces heeft op enig moment een bepaald vermogen aan warmte/koude nodig. Naast het bepalen van het maximale vermogen is juist het verloop ervan in de tijd erg belangrijk. Bereken daarom de vermogensbehoefte op verschillende tijdschalen (jaar, week, dag en procesduur). Omdat de installatie het merendeel van de tijd in deellast draait is het van belang de configuratie en de besturing zo te kiezen dat het rendementsverlies t.o.v. vollast beperkt blijft. In het algemeen geldt dat grote componenten of systemen een beter rendement hebben dan kleine. Een centraal systeem heeft dus de voorkeur boven een decentraal systeem. Een minstens zo belangrijk tweede voordeel van een centraal systeem is de geringere variatie in deellast. Dit komt doordat er meerdere gebruikers zijn, welk variaties elkaar deels compenseren. Dus: als de benodigde temperatuurniveaus dicht bij elkaar liggen is het energetisch interessant om deze te combineren. Zeker als de fysieke afstand gering is, anders kunnen transportverliezen een rol gaan spelen. november /47

14 Het vollast-rendement van deelsystemen of componenten is vaak significant hoger dan in deellast. Het is daarom zinvol om in de ontwerpfase te streven naar een ontwerp dat deelsystemen of componenten zo veel mogelijk in vollast laat draaien. De juiste mix van parallelle compressoren kan ervoor zorgen dat in de meest gangbare deellastcondities toch vollastrendementen gerealiseerd kunnen worden. In situaties waar in deellast sterk afgeweken wordt van de gespecificeerde draaicondities, moet gekeken worden wat de invloed op het rendement is. Soms vraagt dit een andere keuze van het werkingsprincipe of de uitvoering daarvan. In andere gevallen kan het geoptimaliseerd worden met slimme besturing of met aanvullende regelmogelijkheden, zoals frequentieregeling. Om een foutieve dimensionering van het totale systeem te voorkomen 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 vaktechnische handboeken; - de koelmachinecapaciteit zo dicht mogelijk bij de operationele capaciteit te kiezen; - apparatuur te gebruiken van gecertificeerde leveranciers die koelers en/of condensors leveren overeenkomstig Eurovent, waarmee een genormaliseerde prestatiegarantie gegeven wordt voor geluid en capaciteit. 3.4 Ontwerp van het koelsysteem Bij het ontwerpen van een koelsysteem dat met een hoge energie-efficiency voldoet aan alle eisen van het bedrijfsproces, staan vele mogelijkheden ter beschikking (ref. 1 en 2). Niet alleen is er de keus voor het type aandrijving van het koelsysteem, zoals mechanische compressie, absorptiemachines of dauwpuntskoelers. Andere keuzemogelijkheden: - één- of meertrapscompressie, cascadesysteem; - onderkoeling na condensatie en oververhitting na verdamping; - gebruik van restwarmte Eén- of meertrapscompressie, cascadesysteem De keuze van één- of meertrapscompressie hangt meestal af van de drukverhouding (Pc/Po) en/of persgastemperatuur. De beste keuze is dan het systeem met het hoogste rendement en een toelaatbare persgastemperatuur. Let erop dat de persgastemperatuur vaak toeneemt in deellast; het is dus nodig om deze ook in deellast te beschouwen. Doe je dit niet, dan zit je later misschien met deellastbeperkingen. Bij zuigercompressoren bijvoorbeeld is de maximale drukverhouding circa 1:10. Daarboven wordt de compressie zó inefficiënt, en daardoor de compressieeindtemperatuur zó hoog, dat de gebruikelijke smeeroliën instabiel worden. Een oplossing voor dit probleem vormt het tweetrapscompressiesysteem (figuur 3.1). Met dit systeem kun je op efficiënte wijze een grotere drukverhouding 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. Om dat te bereiken passeert het gas in de intercooler een vloeistofbad. Een andere mogelijkheid is afkoeling tot dichtbij genoemde verzadigingstemperatuur door vloeistofinjectie. Om de capaciteit van de verdamper te november /47

15 verhogen en de C.O.P. te verbeteren, 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 verdamper. Een daartoe ontworpen schroefcompressor is beter in staat om met grotere drukverhoudingen om te gaan dan een zuigercompressor. Dit omdat er gekoeld wordt door grote hoeveelheden olie in de compressor te injecteren. Het nadeel hiervan 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 geïnjecteerd; dit is vooral van toepassing bij standaardmachines. De condensatietemperatuur mag hierbij niet onder de 23 C dalen; - een aparte oliepomp waarmee de olie, die aan de perszijde is afgescheiden aan de zuigzijde, weer in de compressor geïnjecteerd wordt. Dit is gebruikelijk bij industriële machines, waardoor de condensatietemperatuur tot 10 C 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 verhoudingen als bij de zuigermachines. Oliekoeling vindt plaats in een gedeelte van de luchtgekoelde condensor of door middel van een platenwarmtewisselaar bij watergekoelde systemen. Ook bij schroefcompressoren is het mogelijk om een hogere energie-efficiency te behalen door het gebruik van een boostersysteem met de hiervoor beschreven tussenkoeling. Een cascadesysteem is een vorm van meertrapscompressie waarvan de in serie geschakelde koelcircuits fysiek gescheiden zijn door een warmtewisselaar. Op die manier kun je de koudemiddelkeuze per koelcircuit vrij kiezen. De condensor van de eerste trap functioneert als de verdamper voor de tweede trap, die een conventioneel koudemiddel in de kringloop heeft. Cascade wordt in de volgende situaties veel toegepast. - Toepassingen met een verdampingstemperatuur lager dan -50 C. Zuigdruk/zuiggasdichteid wordt dan zo laag dat er een compressor nodig is die economisch gezien niet rendabel is. Een voorbeeld van een typische toepassing van tweetraps-cascadekoeling is de vloeibaarmaking van ethyleen (- 170 C). De keuze voor een cascadesysteem is dan de beste oplossing (zie figuur 3.2). - Vriestoepassingen (-25 C tot -50 C) waarbij er gestreefd wordt naar een beperkte ammoniakinhoud en waar zich enkel ammoniak in de machinekamer bevindt. Bij deze toepassingen wordt er regelmatig gekozen voor CO 2 als koudemiddel in het lagetemperatuurcircuit. Dus met een CO 2 -compressor. Bij de hogere temperaturen is het interessanter om CO 2 als verdampend koudedrager te gebruiken, dus met een CO 2 -vloeistofpomp. Dan spreek je niet meer van een cascadesysteem, maar van een indirect systeem met verdampende koudedrager. In ref. 4 is een cascadesysteem (ammoniak/koolzuur) beschreven voor een vrieshuis (- 25 C). Daarbij was de opzet om het volume ammoniak in het systeem te beperken. november /47

16 Figuur 3.2Schema cascade-compressiesysteem Onderkoeling na condensatie en oververhitting na verdamping Onderkoeling van het gecondenseerde koudemiddel is alleen mogelijk bij installaties zonder vloeistofvat of daar waar gebruikgemaakt wordt van een warmtewisselaar in de vloeistofleiding ná het vloeistofvat. Door het gecondenseerde koudemiddel bij de condensordruk te koelen tot beneden de verzadigingstemperatuur ontstaat een onderkoelde vloeistof. Hierdoor wordt de energie-efficiency enigszins verhoogd. Bovendien krijg je extra koelcapaciteit zonder dat meer (elektrische) energie verbruikt wordt. Daarnaast is onderkoeling vooral van belang om het ontstaan van ontspanningsdamp (flashgas) in de vloeistofleiding vóór de expansieventielen te voorkomen. In een enkeltrapscompressiesysteem creëer je onderkoeling door middel van: - De condensor, als de warmteafvoer van het koudemiddel na condensatie in een aparte onderkoelingsbundel voortgezet wordt; dit is alleen mogelijk als de condensor ook dienst doet als vloeistofvat. - Het gebruik van een aparte nakoeler na het vloeistofvat. - De vloeistofleiding tot het expansieventiel, als de ongeïsoleerde leiding daarbij warmte kan afstaan aan de omgeving. Ook kan de gecondenseerde vloeistof met een separate warmtewisselaar onderkoeld worden door het koude gas in de zuigleiding naar de compressor. Een dergelijke warmtewisseling is ook mogelijk door de vloeistofleiding en de zuigleiding tegen elkaar te leggen en te solderen. Bij een tweetrapscompressiesysteem kan het koudemiddel van de tussentrap gebruikt worden om de vloeistof uit het vloeistofvat te onderkoelen (figuur 3.1). Bij een warmtewisselaar vindt dan afkoeling plaats tot circa 5 K boven de verzadigingstemperatuur van de tussentrap. Bij een koeler met ontspanningsverdamping tot de verzadigingstemperatuur van de tussentrap. Oververhitting van het zuiggas is de toename van de temperatuur van het koudemiddel boven de verdampingstemperatuur. Het effect op de energie-efficiency is hierbij echter afhankelijk van het toegepaste koudemiddel. Dit 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 energieverbruik gelijk blijft. Oververhitting is: november /47

17 - rendabel, als het koudemiddel warmte opneemt en daarbij een bijdrage levert aan de koeling, bijvoorbeeld in een verdamper met droge expansie en een thermostatisch expansieventiel of een vloeistofonderkoeler m.b.v. zuiggas; - onrendabel, als de zuigleiding warmte opneemt uit de omgeving en daardoor het rendement van de compressor verlaagt. In die situaties moet de zuigleiding van de verdamper naar de compressor (dampdicht) geïsoleerd zijn. Dit ter verbetering van de energie-efficiency. Maar er is ook enige oververhitting noodzakelijk om te vermijden 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 geregelde ventielen 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 Gebruik van restwarmte uit het koelproces Tot de mogelijkheden om de energie-efficiency van het koelproces te verbeteren, behoort het benutten van eventuele restwarmte uit het koelproces. Er zijn drie onderdelen in het koelproces waar restwarmte benut kan worden. - De leiding met het hete koudemiddel na de compressie, met een temperatuur van 70 tot 90 C (vooral bij ammoniak). Dit gas kan afgekoeld worden met een warmtewisselaar (de-superheater) tussen compressor en condensor. Naar verhouding is de hoeveelheid oververhittingswarmte echter gering. - De condensor met een temperatuur van 10 à 20 K boven die van de omgevingslucht of het koelwater. Het beschikbaar vermogen is de som van het koelvermogen en een groot deel van het opgenomen elektrisch vermogen. Door de lage temperatuur (30 tot 50 C) is deze warmte beperkt toepasbaar, bijvoorbeeld als een verwarmingsmedium van 40 C voor gebouwen, indien het gebouwsysteem daarvoor is uitgelegd. - De warmte van koel- en smeerolie bij schroefcompressoren, met een temperatuur tussen 60 en 80 C. 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 verwarmingsdoeleinden niet een negatieve invloed heeft op het energiegebruik van de koelinstallatie. Dit kan het geval zijn als de condensor continu ten behoeve van die verwarming met een hogere condensatietemperatuur moet functioneren, terwijl er ook een koelend medium voor de condensor met een lage temperatuur ter beschikking staat. In een dergelijk geval kan de besparing aan verwarmingskosten wel eens kleiner uitvallen 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 bijvoorbeeld nuttig toegepast worden bij de voorverwarming van koud suppletiewater voor stoomketels, voor douchewater en voor vloerverwarming (grondverwarming) onder een vrieshuis. De warme lucht van luchtgekoelde condensors kan voor ruimteverwarming gebruikt worden. november /47

18 3.5 Koudemiddelen Van de beschikbare koudemiddelen zijn er waarschijnlijk meerdere geschikt voor het te ontwerpen koelproces, maar de individuele energie-efficiencies kunnen sterk verschillen, zie de brochure Koudemiddelen. 3.6 Milieutechnische en veiligheidsaspecten De milieutechnische en veiligheidsaspecten zijn niet direct bepalend voor de energieefficiency, maar hebben er indirect wel invloed op. Bijvoorbeeld bij de keuze van compressoren, koudemiddel, smeermiddel en condensorkoeling Eisen en verplichtingen Op het gebied van veiligheid en milieu gelden verschillende besluiten en richtlijnen. Koelinstallaties moeten voldoen aan de RLK (Regeling Lekdichtheid Koelinstallaties voor installaties voorzien van chemische koudemiddelen), de GPS 13 (Publicatiereeks Gevaarlijke Stoffen m.b.t. Ammoniak), ATEX 95 (explosieveiligheid), de PED (het Besluit Drukapparatuur) en de NEN-EN 378 (Koelsystemen en Warmtepompen - Veiligheids- en Milieueisen) RLK Ten aanzien van gasemissies naar omgevingslucht door lekkage van koudemiddel HFC en geldt de Regeling Lekdichtheid Koelinstallaties (ref. 13). - Voor koelinstallaties zijn door de overheid voorschriften opgesteld voor de kwaliteit van de toe te passen apparatuur met leidingwerk, voor periodieke controles en ter voorkoming van lekkages. - Installatiebedrijven voor koeltechnische apparatuur moeten gecertificeerd zijn door de STEK, de Stichting Erkenningsregeling uitoefening van het Koeltechnisch installatiebedrijf. - De gebruiker en/of eigenaar van een koelinstallatie, werkend met chemische koudemiddelen, moet er rekening mee houden dat het gebruik van CFK s is verboden. Bovendien zijn HCFK's niet meer toegestaan in nieuwe installaties; op termijn zijn ze geheel verboden. - Bij iedere installatie met een inhoud van meer dan 3 kg koudemiddel, moet een installatiegebonden logboek aanwezig zijn. De gebruiker van de installatie is er verantwoordelijk voor dat dit logboek wordt bijgehouden en dat hij/zij, voor installaties gevuld met HCFK s of HFK s, uitsluitend 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 koudemiddelen (onder andere ammoniak en koolzuur) toegestaan, zie de brochure Koudemiddelen PGS 13 Ammoniak De Richtlijn PGS 13 heeft uitsluitend betrekking op de toepassing van ammoniak als koudemiddel in koelinstallaties en warmtepompen. Doel is om de veiligheid te waarborgen bij het gebruik van ammoniak. In de PGS 13 komen aan de orde: - classificatie: maximaal toegestane totale hoeveelheid ammoniak in relatie tot de verblijfsruimte, de openstelling en het type koelsysteem; - ontwerpeisen aan de koelinstallatie; - eisen gesteld aan de veiligheidsvoorzieningen; november /47

19 - eisen aan beheer, controle, onderhoud en toezicht; - keuring en inspectie. Zie ref ATEX 95 (Richtlijn (94/9/EG)) Europese Veiligheidsvoorschriften in een explosiegevaarlijke omgeving (van toepassing voor brandbare koudemiddelen). Onder de ATEX-richtlijn vallen alle apparatuur (elektrisch en niet-elektrisch) en beveiligingssystemen die bedoeld zijn voor gebruik in explosiegevaarlijke ruimten. Het toepassingsgebied betreft plaatsen waar als gevolg van plaatselijke en bedrijfsomstandigheden een explosieve omgeving kan ontstaan door mengsels van zuurstof en ontvlambare stoffen in de vorm van gassen, dampen, nevels en stof onder atmosferische omstandigheden, waarin de verbranding zich na ontvlamming uitbreidt tot het gehele niet verbrande mengsel. De ATEX-richtlijn is niet van toepassing op zeeschepen en mobiele offshoreinstallaties, alsmede de uitrusting aan boord van deze schepen of installaties. Een en ander valt al onder het IMO-verdrag (IMO = Internationale Maritieme Organisatie) PED Het Besluit Drukapparatuur, geldend voor bijna alle koeltechnische 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/leidingdiameters 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. - De gebruiker dient tijdens de gebruiksfase voor het aflopen van de herkeuringstermijn een herkeuring aan te vragen. De keuring voor ingebruikneming en de herkeuring zijn van toepassing op in de Warenwetregeling Drukapparatuur aangegeven apparatuurcategorieën NEN-en 378 Binnen de Europese Unie is nu voor koelsystemen en warmtepompen 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 selectiecriteria; deel 2: ontwerp, constructie, beproevingen, merken en documentatie; deel 3: installatieplaats en persoonlijke bescherming; deel 4: bediening, onderhoud, reparatie en hergebruik Koelwater Het gebruik van bronwater voor koeldoeleinden wordt door de overheid beperkt toegestaan. Ten eerste wordt er op basis van de waterkaart bepaald of het toegestaan is om gebruik te maken van bronwater. Daarnaast is er altijd de aanvullende eis tot egalisatie. Het toevoegen van warmte aan grondwater moet binnen een periode van drie november /47

20 jaar worden gecompenseerd middels het onttrekken van warmte, zodat er geen netto effect ontstaat Geluidsemissie Bij een koelinstallatie vormen de compressoren en de verdampings- en luchtgekoelde condensors belangrijke geluidsbronnen. Ook de voortplanting van het compressorgeluid via het leidingwerk kan een belangrijke bijdrage leveren aan de geluidsbelasting. Door een optimaal ontwerp van de apparatuur en een accurate uitvoering van isolerende maatregelen kan toch worden voldaan aan de geluidsemissienormen. november /47

21 4 Componenten van het koelsysteem Tot de componenten die we in dit hoofdstuk nader beschouwen met het oog op de energie-efficiency behoren: - compressoren; - condensors; - verdampers. Overige aspecten zoals: - regeling; - warmteoverdrachtsvloeistoffen als secundaire koudedragers; - koudebuffers; - oliewaskolom; - automatische ontluchter; worden behandeld in separate hoofdstukken. 4.1 Compressoren Algemeen De compressor kan uitgevoerd zijn als een zuiger-, scroll-, schroef- of centrifugaalmachine. De aandrijving daarvan geschiedt meestal met een elektromotor, waarbij de uitvoering van de verbinding tussen motor en compressor op één van de volgende wijzen is uitgevoerd: - Hermetische compressor, de speciale motor en de compressor zijn direct gekoppeld en gezamenlijk in één (meestal gelaste) behuizing ondergebracht; de motor wordt gekoeld door het aangezogen (gasvormig) koudemiddel, 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 eenvoudig 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 aangezogen (gasvormig) koudemiddel, hetgeen dus de energie-efficiency nadelig beïnvloedt. 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 koppeling, of indirect met een snaaroverbrenging, verbonden met de compressor. De motor is meestal luchtgekoeld. Dit heeft een gunstig effect op de energie-efficiency van de koelinstallatie. Hier is een zeer goede asafdichting van de compressor vereist om lekkage van koudemiddel te voorkomen. Deze uitvoering is in de chemische industrie en voor motorvermogens vanaf 25 kw de meest gebruikelijke. Het koelen van de elektromotor door het aangezogen gas vanuit de verdamper vermindert het beschikbare koelvermogen van de compressor. Uitwendig gekoelde typen, waarbij het zuiggas dus direct naar de compressor stroomt, hebben circa 8% november /47

22 meer koelvermogen. Bovendien is het principieel efficiënter 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 rendement heeft dan de standaardmotor bij ongeveer gelijke investeringskosten (ref. 3). Bij het vergelijken van koelcompressoren voor een bepaalde toepassing kan de Europese Norm EN (ref. 17) als basis dienen om de compressoren van diverse typen en fabrikanten met elkaar te kunnen vergelijken Zuigercompressoren Zuigercompressoren worden bij koelmachines nog veelvuldig toegepast, zelfs bij wat grotere vermogens, waarbij gedacht kan worden aan 8 tot 24 cilinders per machine (figuur 4.1). Het is nog steeds gebruikelijk om oliegesmeerde cilinders toe te passen, omdat olievrije compressoren zeer kostbaar zijn en geen zware belastingen aan kunnen. Een zuiger heeft een aantal specifieke positieve en negatieve eigenschappen: + Het grote voordeel van de zuigercompressor is dat deze zich automatisch aanpast aan veranderingen van de zuig- en persdruk. De drukverschil-gestuurde kleppen passen hun timing automatisch aan, zodat het rendement ook bij sterke afwijking van de gespecificeerde condities goed blijft. + Door de goede afdichtende werking van de zuiger en de kleppen doet de zuigercompressor het ook goed bij condities met grote drukverschillen zoals deze optreden bij CO 2 als koudemiddel. Door de geringe interne lek kan een zuigercompressor een goed volumetrisch rendement halen. - De kleppen van een zuigercompressor kunnen slecht tegen overbelasting door bijvoorbeeld vloeistof of natgas. Figuur 4.1Zuigercompressor met 12 cilinders november /47

23 4.1.3 Scroll compressoren Voor de kleinere koelvermogens tot 40 kw staan ook scroll- (spiraal-)compressoren ter beschikking. Dit zijn compressoren 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 compressor uitgevoerd en alleen in standaard koelapparatuur ingebouwd (airconditioning, kleine koel- en vriesinstallaties en in het bijzonder transportkoeling). Ten opzichte van de zuigermachines hebben ze minder trillingen en een lagere geluidsbelasting. Bij toepassingen boven 0 C is de energie-efficiency vaak hoger dan die van de zuigercompressoren; beneden 0 C is de zuigercompressor te prefereren Schroefcompressoren Het gebruik van schroefcompressoren in de koudetechniek neemt nog steeds toe. Dat komt door de robuuste techniek van dit type en de lange onderhoudsinterval. De meest toegepaste zijn de oliegesmeerde tweeschroefscompressor en de enkelschroefscompressor, al of niet met een economiser voor lagere verdampingstemperaturen (figuur 4.2). Een schroef heeft een aantal specifieke positieve en negatieve eigenschappen: + Door het geringe aantal bewegende delen is de schroefcompressor zeer geschikt om langdurig en onder zware belasting te functioneren. + Een schroefcompressor kan voorzien worden van een economiser. Met een economiser kun je de smoorverliezen beperken door te smoren in twee fases. Het gas dat ontstaat bij het smoren van de persdruk naar de tussendruk kan door de compressor via een extra poort halverwege de schroeven aangezogen worden. Dit betekent dat niet al het gas dat ontstaat bij smoren van zuigdruk naar persdruk gecomprimeerd hoeft te worden. Dit geeft met name een rendementsverbetering bij synthetische koudemiddelen waar de smoorverliezen relatief groot zijn. + De compressiewarmte wordt voor een groot deel opgenomen door de smeerolie die in de compressor geïnjecteerd wordt, waarbij de olie tevens de afdichting bij de rotoren verzorgt. De warmte-opname van de olie verlaagt de persgastemperatuur waardoor hogere drukverhoudingen mogelijk zijn. - In tegenstelling tot de zuigercompressor heeft de schroefcompressor een vaste volumeverhouding, afhankelijk van de constructie en geometrie. Bij de moderne schroefcompressoren is het mogelijk om de inwendige geometrie aan te passen aan de gewenste drukverhouding tussen de verdamper- en de condensordruk in het systeem (VI-regeling). Door deze VI-regeling kan een schroefcompressor condities die beperkt afwijking van de gespecificeerde condities zonder significant rendementsverlies draaien. Wijzigt de drukverhouding te veel, dan ontstaan er grote verliezen door onder- of overcomprimeren. Bij de (energetisch gezien zeer goede) keuze om de condensordruk in de winter mee te laten dalen met de omgevingstemperatuur kunnen problemen ontstaan. Controleer altijd of de schroefcompressor zowel de zomer- als de wintercondities aan kan. - Bij hoge drukverschillen is er veel olie nodig om de interne lek te beperken. Dit gaat ten koste van het rendement. november /47

24 4.1.5 Centrifugaalcompressoren Daar waar grote volumestromen koudemiddel gecomprimeerd moeten worden, kan de centrifugaalcompressor toegepast worden, bijvoorbeeld bij grote water- of pekelkoelmachines. De eerste koelmachine met een centrifugaalcompressor is al in 1922 geïntroduceerd. Vanaf een capaciteit van 1200 kw kunnen centrifugaalmachines in aanmerking komen; beneden 1200 kw valt toch meestal de keuze op een schroefcompressor. De centrifugaalmachines zijn in het algemeen geselecteerd, passend bij de verdampers en condensors van de leverancier, en worden dan als standaardpakket geleverd met het koudemiddel R-134a. Voor grote capaciteiten en bijzondere omstandigheden kunnen centrifugaalkoelmachines ook volgens specificatie van de gebruiker geleverd worden. Deze hebben de beste energie-efficiency bij een langdurig bedrijf met een redelijk constante belasting. Figuur 4.2Enkeltrapsschroefcompressor Als ook structureel bij deellast wordt gewerkt, kan de fabrikant speciale voorzieningen treffen om de energieverliezen te beperken. Bij de nieuwste standaardmachines met R- 134a is het expansieventiel vervangen door een expansieturbine. Hierdoor verbetert de energie-efficiency met circa 10% (figuur 4.3). 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 verbeteren, is gebruikmaking van een economiser bij tweetrapscompressoren. De drukverlaging van condensor- naar verdamperdruk 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 expansieturbine. Centrifugaalmachines worden bij voorkeur toegepast bij langdurige belasting en grote capaciteiten. november /47

25 Figuur Condensors Het oververhitte gasvormig koudemiddel wordt in de condensor achtereenvolgens gekoeld tot de condensatietemperatuur en gecondenseerd. De condensor kan de opgenomen warmte uit het koudemiddel afvoeren naar een koelmiddel naar de omgeving via water en/of lucht. De methode om de condensorwarmte af te voeren heeft grote invloed op de condensatietemperatuur en dus op de energie-efficiency. Bij het toepassen van water ligt de (jaargemiddelde) condensatietemperatuur lager dan bij droge condensors. Daarnaast leidt het selecteren van een grotere capaciteit tot het verlagen van de condensortemperatuur door het lagere benodigde temperatuurverschil. Een evaluatie van enige varianten is meestal nodig om te komen tot een economisch haalbare en energie-efficiënte oplossing. De meest toegepaste typen condensors zijn: - Watergekoelde condensor; de warmtewisselaar kan de vorm hebben van een pijpenbundelwarmtewisselaar, waarbij het koelwater door de pijpen stroomt. Ter beperking van het koudemiddelvolume kan echter ook een (gedeeltelijk gelaste of hardgesoldeerde) platenwarmtewisselaar toegepast worden. De haalbare condensatietemperatuur is voor Nederland in het warme jaargetijde: o bij doorstroomsystemen met bronwater, circa 20 à 25 C; o o bij doorstroomsystemen met oppervlaktewater, circa 30 à 35 C; bij circulatiesystemen met koeltorenwater, circa 32 à 35 C. Dit systeem heeft vrijwel dezelfde energie-efficiency als de verdampingscondensor (zie verder). De condensatietemperatuur wordt in het algemeen geregeld door variatie van de hoeveelheid circulerend koelwater. november /47

26 - Luchtgekoelde condensor; deze bestaat meestal uit een rechthoekig blok, opgebouwd uit pijpen (koudemiddel door de pijpen). De pijpen zijn uitwendig voorzien van opgeperste lamellen ter verbetering van de luchtzijdige warmteoverdracht. De af te voeren warmte wordt opgenomen door langs en door het blok stromende buitenlucht. Daartoe is iedere luchtgekoelde condensor voorzien van één of meerdere ventilatoren. Afhankelijk van de toepassing wordt gebruikgemaakt van koperen pijpen met aluminium lamellen (niet geschikt voor ammoniak); volbadverzinkte stalen pijpen en lamellen; volledig uit roestvaststaal vervaardigde condensorblokken en volledig uit aluminium vervaardigde condensorblokken. In een zoute en corrosieve omgeving kun je koperen vinnen gebruiken, maar wordt meestal een beschermlaag aangebracht op het warmtewisselend oppervlak. De condensatietemperatuur is afhankelijk van de temperatuur van de aangezogen buitenlucht. In de zomer kan de condensatietemperatuur daarbij oplopen tot 45 à 50 C. Onder winterse omstandigheden kan de condensatiedruk zodanig laag worden dat onvoldoende drukval (tussen condensatiedruk en verdampingsdruk) over het expansieventiel wordt gecreëerd. Zo wordt te weinig vloeibaar koudemiddel ingespoten, met als gevolg dat de verdampingsdruk en -temperatuur gaan dalen. Men spreekt dan van overcondensatie. Door bijvoorbeeld één of meerdere ventilatoren uit te schakelen, of van een toerenregeling te voorzien, kan de condensatiedruk kunstmatig voldoende hoog worden gehouden (minder lucht betekent minder afvoer van warmte). In de brochure Luchtgekoelde warmtewisselaars wordt nader ingegaan op de details. - Verdampingscondensor (bevloeide luchtgekoelde condensor); de bouw en werkwijze is grotendeels gelijk aan die van de luchtgekoelde condensor, met dien verstande dat er gladde condensorpijpen zijn toegepast die uitwendig nog besproeid worden met water. Door die bevloeiing is de temperatuur van de buitenzijde van de condensorpijpen gelijk aan de heersende natte boltemperatuur van de omgevingslucht. Daardoor is de haalbare condensatietemperatuur in de zomer circa 30 à 35 C. De consequenties van een verdampingscondensor zijn: o een watercirculatiesysteem met verdamping en suppletie, dus bijkomend water- en energieverbruik; o o (chemische) waterbehandeling; meer kans op uitwendige vervuiling van de condensorpijpen dan bij de luchtgekoelde condensor. In de brochure Waterkoeling wordt nader ingegaan op de details. - Hybride condensor; dit type kan zowel fungeren als verdampingscondensor in de warme periodes of als luchtgekoelde condensor in de koudere periodes. T.o.v. een verdampingscondensor is er een gereduceerd waterverbruik. Het opgenomen elektrisch vermogen 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 ventilatoren; november /47

27 - de bevloeide condensor gebruikt energie voor de sproeipompen de ventilatoren. 4.3 Verdampers De uitvoering van de verdampers wordt, in tegenstelling tot die van de condensors, veelal bepaald door het doel waarvoor 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 koudedrager); - het koelen van een emulsie; - het koelen van een vaste stof; - het koelen van een procesreactor. Daarnaast wordt de uitvoering bepaald door de manier waarop het koudemiddel wordt ingespoten. Bij kleine systemen gebeurt dit meestal via directe expansie. Bij grote systemen (met bijvoorbeeld ammoniak) gebruikt men vaak badverdampers, zogenaamde natte verdampers of flooded systemen. De bekendste typen verdampers die voor de genoemde toepassingen 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 behandeld Het koelen van lucht Bij het koelen van lucht ten behoeve van airconditioning of koel- en vriescellen wordt bij kleine systemen meestal directe expansie in lamellenblokken of spiralen toegepast. Hierbij wordt de lucht geforceerd door het blok of langs de spiraal of serpentijn gevoerd. Een lamellenblok bestaat uit een aantal gevinde pijpen die in een blokvorm zijn samengebouwd. Bij uittrede uit de verdamper moet alle vloeistof verdampt zijn om te voorkomen dat de compressor vloeistof kan aanzuigen. Daartoe handhaaft de regeling meestal een lichte oververhitting van 6-10 K bij uittrede. Het gevolg hiervan is dat circa 25% van het koeleroppervlak nodig is voor oververhitting. Bij toepassingen waarbij de temperatuur van het koeleroppervlak lager is dan -4 C, vriezen de lamellen aan door 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 ontdooid 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 toegepast. Daarbij wordt vanuit een vloeistofvat met afscheider vloeibaar koudemiddel door de luchtkoelers gepompt. november /47

28 4.3.2 Het koelen van vloeistof Om vloeistoffen te koelen staan diverse uitvoeringen van warmtewisselaars ter beschikking, afhankelijk van de thermodynamische eigenschappen van koudemiddel en de te koelen vloeistof. - Pijpenbundelwarmtewisselaar (shell and tube). Bij droge verdamping door middel van directe expansie vloeit het koudemiddel door de pijpen en de te koelen vloeistof door de romp. De romp is voorzien van keerschotten om een kruisstroom met het koudemiddel te realiseren. In de pijpen zit een verdampende vloeistof. Bij meerdere, verspreid staande reactorvaten kan ook gebruikgemaakt worden van natte verdamping met een pompcirculatiesysteem dat de vloeistof vanuit een centraal geplaatste afscheider transporteert naar de verbruikers. Ten opzichte van de directe expansiemethode is bij de circulatiesystemen de binnenwand van de pijpen geheel bevloeid, waardoor de warmteoverdracht en capaciteit toenemen. Er kan ook een iets hogere verdampingstemperatuur gehandhaafd worden, omdat er geen oververhitting 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, waarbij de te koelen vloeistof door de pijpbundel stroomt en het koudemiddel in de romp verdampt. Het koudemiddelniveau in de romp wordt zodanig geregeld, dat de bovenste pijpen nog onder het vloeistofoppervlak blijven om een perfecte warmteoverdracht tussen vloeistof en verdampend koudemiddel te handhaven. In de ruimte aan de bovenzijde van de romp vindt de afscheiding van vloeistof 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 door afzonderlijke kanalen. De kanalen worden gevormd door de ruimten tussen de tegen elkaar aangebrachte platen. Om lekkages te voorkomen worden de naden aan de koudemiddelzijde hardgesoldeerd of gelast. Platenwarmtewisselaars kunnen worden uitgevoerd als natte (bevloeide) of als droge (directe expansie) verdampers. Bij het natte type wordt een afscheider boven de warmtewisselaar geplaatst. De voordelen van de platen boven de pijpenwarmtewisselaar zijn: o o o o o hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt; een kleiner temperatuurverschil tussen koudemiddel en procesvloeistof, waardoor de verdampingstemperatuur van het koudemiddel hoger kan zijn; zeer compacte bouwvorm; kleinere koudemiddelinhoud van het systeem; de (niet-gelaste) proceszijde is eenvoudiger te reinigen. Een bijzonder type platenwarmtewisselaar is de Q-plate. Deze is ontworpen als verdamper of condensor 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. Dit met behoud van de prestaties van een pijpenwarmtewisselaar. november /47

29 De constructie is in wezen een platenwarmtewisselaar in een mantel (plate and shell) (figuur 4.3). Figuur 4.3Opbouw van een Q-plate -warmtewisselaar Een vergelijking van de eigenschappen van de Q-plate met de normale pijpenbundelwarmtewisselaar leidt tot de volgende conclusies: - Het drukverlies en de koudemiddelinhoud zijn veel lager dan bij pijpenwarmtewisselaars. - De warmteoverdrachtsprestaties per m 2 oppervlak van de Q-plate warmtewisselaar als condensor zijn vergelijkbaar met die van de pijpenbundel. Als verdamper haalt de Q-plate slechts de helft, als gevolg van een minder goede verdeling van het koudemiddel. Om hieraan tegemoet te komen is bij directe verdamping de Q-plate als tweepassverdamper uitgevoerd (zie figuur 4.4). - De warmteoverdrachtsprestaties per m 2 oppervlak Q-plate -warmtewisselaar zijn minder gevoelig voor debietvariaties dan bij pijpenwarmtewisselaars. - De Q-plate -warmtewisselaar is in het algemeen twee maal zo 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; bovendien kan het apparaat alleen met spoelvloeistoffen worden gereinigd. - De warmteoverdrachtsprestaties per m 2 oppervlak Q-plate -warmtewisselaar zijn voor de gebruikelijke koudemiddelen vergelijkbaar Figuur 4.4Directe verdamping in Q-plate -warmtewisselaar - Falling film-verdamper. Dit type verdamper is ontwikkeld 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 verdamperplaten, waarbij het koudemiddel door de verdamperplaten stroomt. Het te koelen water stroomt als een dunne film langs het oppervlak van de platen en valt als ijswater van 1 C in een opvangbak aan de onderkant. Het voordeel van dit type is de grote capaciteit per m 2 november /47

30 verdamperoppervlak. Bovendien wordt met hetzelfde rendement als de badverdamper, minder koudemiddelvolume gerealiseerd Het koelen van emulsies Om emulsies te koelen wordt in het algemeen de geschraapte warmtewisselaar toegepast. De te koelen emulsie stroomt hierbij over de verdamperplaten, terwijl de gekoelde emulsie van de platen geschraapt wordt Het koelen van vaste stoffen Het koelen van vaste stoffen komt veel voor in de voedselindustrie, waar producten snel ingevroren moeten worden. De gebruikelijke methode is daarbij om het product tussen twee platen (plate freezers) te leiden, waarin het koudemiddel verdampt Het koelen van een procesreactor In de industrie wordt veelvuldig gebruikgemaakt van directe expansie op een reactorvat. De verdamping van het koudemiddel geschiedt dan in een spiraalvormige warmtewisselaar op de wand van het reactorvat, in het vat, of door een in de wand geïntegreerde platenwarmtewisselaar. Als er koeling nodig is op meerdere procesreactoren met een ongeveer gelijkblijvend temperatuurniveau, wordt in het algemeen natte verdamping via pompcirculatie toegepast. De verdamper is ook hier meestal uitgevoerd als uitwendige spiraal op de wand of als inwendige dompelspiraal. november /47

31 5 (Deellast)regeling In elk koelsysteem onderscheiden we twee regelkringen (zie ref. 8): - Hoofdregelkring. Deze draagt zorg voor de afstemming van de koudevraag (de belasting) op het koude aanbod van de koelinstallatie. De hoofdregelkring regelt de verdampingstemperatuur, het koudemiddeldebiet van de compressor en de afstemming van beide grootheden. - Interne regelkring. De interne regelkring regelt de onderlinge afstemming van de apparatuur van de koelinstallatie. Deze is afhankelijk van het type koudemiddel en geschiedt onder meer door het drukverschil tussen verdamper en condensor te handhaven en het debiet van de koelkringloop door het expansieventiel te regelen. Voor de compressorregeling geeft de brochure Capaciteitsregeling roterende apparatuur aanvullende informatie. 5.1 Hoofdregelkring De hoofdregeling omvat de capaciteitsregeling van de koelcompressoren enerzijds en de temperatuurregeling van het te koelen object anderzijds Capaciteitsregeling De regeling van de capaciteit van zuigercompressoren, boven 7,5 kw motorvermogen, geschiedt veelal op één 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; regeling is niet mogelijk beneden een, door de compressorfabrikant opgegeven, minimum toelaatbaar toerental waarbij een goede smering nog kan worden gegarandeerd. - Persgasrecirculatie: dit is een omloopregeling tussen uitlaat en inlaat, waarbij het debiet in de koudecyclus wordt geregeld, maar niet het verplaatste compressorvolume. De druk van de persruimte staat hierbij onder zuigdruk. - Hotgas bypass: hierbij wordt een deel van het hogedruk-persgas teruggevoerd naar de zuig. De laatste methode heeft de laagste energie-efficiency omdat het opgenomen vermogen van de compressor bij deel- en vollast gelijk is. Bij de methoden met kleplichting en toerenregeling 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-efficiënte methode. Voor de capaciteitsregeling van schroefcompressoren zijn twee methoden beschikbaar: - Regeling aanzuigvolume via regelschuif, een schuif regelt de lengte van het actieve deel van de rotor, waardoor bij deellast slechts een deel van de rotoren het koudemiddel comprimeert. Afhankelijk van de uitvoering kan soms bij nullast tot 50% van het maximum vermogen worden opgenomen. Het is daarom niet efficiënt om deze compressoren beneden 60% te belasten, alhoewel de regeling de belasting tot 10% kan terugbrengen. november /47

32 - Toerenregeling, een betere fabricage en smeertechniek maken het nu mogelijk om ook schroefcompressoren te regelen door variatie van het toerental. Hierbij wordt de hoogste energie-efficiency behaald. 140 COP verloop van veelvoorkomende deellastregelingen COP [%] zuigercompressor, zuigkleplichting zuigercompressor, persgas recirculatie zuigercompressor, frequentie regelaar schroefcompressor, regelschuif (interne bypass) hot gas bypass deellastpercentage [%] Figuur 5.1C.O.P.-verloop bij veelvoorkomende deellastregelingen van zuiger en schroefcompressoren De capaciteitsregeling van centrifugaalcompressoren is mogelijk door: - regeling met inlaatschoepenregeling, geeft weinig energieverlies; - persgasrecirculatie (hotgas bypass), dit geeft geen energiebesparing; - toerenregeling, komt zelden voor bij centrifugaalmachines, maar is zeer efficiënt mogelijk tot een deellast van 70%. Als een centrifugaalkoelmachine gedurende een groot deel van het jaar op deellast moet draaien, is het aan te raden om daarvoor speciale voorzieningen aan te laten brengen. In dat geval kan er met een zo goed mogelijke energie-efficiency geopereerd worden. Als alternatief kan in een dergelijke situatie het gebruik van twee of meerdere schroefcompressoren overwogen worden Temperatuurregeling Deze regeling zorgt voor het handhaven van de gewenste temperatuur van het product of de gekoelde ruimte. Vaak is er sprake van meerdere verbruikers, aangesloten op hetzelfde koelcircuit. De temperatuurregeling is dan een samenspel van meerdere verbruikers met de koelmachine. De in aanmerking komende regelmethoden zijn: - aan/uit-regeling; - zuigdrukregeling; - zuigdrukregeling en compressor vollastbedrijf. november /47

33 Aan/uit-regeling Deze regeling wordt meestal toegepast als er slechts één verbruiker is aangesloten op de koelinstallatie. Bij overschrijding 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 regeling 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 ingesteld dan nodig is bij een fijnere regeling. Hierdoor daalt de energie-efficiency Zuigdrukregeling De zuigdrukregeling wordt toegepast als er meerdere verbruikers zijn, eventueel in combinatie met meerdere compressoren. Als de ingestelde temperatuur van een verbruiker wordt overschreden, stelt de thermostaat de koeling in werking door de koudemiddeltoevoer te openen naar de betreffende verdamper. Bij de zuigdrukregeling wordt geprobeerd om de zuigdruk binnen een zekere bandbreedte te handhaven. Als dan de zuigdruk in het systeem wijzigt, zal compressorcapaciteit worden bij- of afgeschakeld. Bij zuigercompressoren wordt de capaciteit gewijzigd door kleplichting of toerenregeling. Bij halvering van het compressordebiet daalt bij de kleplichting het opgenomen vermogen met 40 tot 45%. Bij toerenregeling neemt het opgenomen vermogen zelfs meer dan evenredig af. De capaciteit van schroefcompressoren wordt aangepast door wijziging van de effectieve schroeflengte of door toerenregeling. Bij halvering van het compressordebiet door vermindering van de schroeflengte neemt het opgenomen vermogen met slechts 30% af. Bij toerenregeling van de schroefcompressor 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 verdampingstemperatuur 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 individuele verdampingstemperatuur, door het gebruik van een tussen de verdamper(s) en de compressor(en) gemonteerde zuigdrukregelaar, worden ingesteld op de verlangde zuigdruk Regelen op zuigdruk en vollastbedrijf Door vergroting van de bandbreedte van de zuigdrukregeling kunnen de perioden dat de compressoren op vollast draaien worden verlengd. Het aantal schakelingen kan worden verminderd. Dit verbetert de energie-efficiency ten opzichte van de situatie met frequent schakelende en op deellast werkende compressoren. Als het mogelijk is om een zodanige coördinatie tussen de verbruikers te realiseren dat de compressoren van een centrale koel-/vriesinstallatie ofwel volbelast draaien of uitgeschakeld zijn, kun je ook een grotere zuigdrukdifferentie instellen. Een specifieke uitvoering van deze regeling noemen we de mogen/moeten-regeling. In combinatie met de balansregeling heeft deze de volgende kenmerken: - de compressoren werken volbelast of zijn uitgeschakeld; - de verdampingstemperatuur is op een zo hoog mogelijke waarde ingesteld; november /47

34 - verbruikers met dezelfde verdampingstemperatuur worden groepsgewijs gekoeld; - ten behoeve van warmteterugwinning worden warmteaanbod en -afname gecoördineerd. In verband met het streven naar een zo hoog mogelijke instelwaarde van de verdampingstemperatuur worden per verbruiker de toelaatbare afwijkingen van de geregelde temperatuur naar boven en beneden ingesteld. Door deze instelling 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. Dit voorkomt energieverliezen als gevolg van deellast. 5.2 Interne regelkring De interne regelkring zorgt 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 de vraag 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 vloeibare koudemiddel vanuit een vloeistofvat naar de verbruikers, waar het gedeeltelijk verdampt en als damp/vloeistof teruggevoerd wordt. Voor de kleinere koelvermogens tot 100 à 200 kw wordt vaak gekozen voor directe verdamping. Vanaf 100 kw koelvermogen komt natte verdamping in aanmerking. Bij ammoniakinstallaties wordt meestal voor natte verdamping gekozen. Dit omdat er in een dx-situatie zeer weinig ammoniakvloeistof beschikbaar is; dat is problematisch voor een goede vloeistofverdeling Droge verdamping Bij het droge of directe expansiesysteem is het expansieorgaan geplaatst in de vloeistofleiding vóór de intrede van de verdamper, dus tussen het gedeelte met de (hoge) condensatiedruk en de (lage) verdampingsdruk. Het expansieventiel regelt de koudemiddelstroom naar de verdamper. De regeling van die stroom is zodanig afgesteld dat er door de compressor geen vloeistof kan worden aangezogen Thermostatisch expansieventiel Het thermostatische expansieventiel wordt algemeen toegepast voor directe expansiesystemen. Een temperatuuropnemer op de verdamperuittrede regelt door middel van een mechanische verbinding de doorlaat van het ventiel dat vóór de verdamper is geplaatst. De opnemer bepaalt de oververhitting van het uittredende gas. Bij te veel oververhitting gaat het ventiel open. Het debiet van het koudemiddel door het ventiel is afhankelijk van de doorlaatopening en van het drukverschil tussen condensor en verdamper. Het drukverschil neemt af door verhoging van de november /47

35 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. Als er weerstand zit in de zuigleiding van de verdamper naar de compressor, is er een drukcompensatieleiding nodig om de oververhitting correct in te stellen. Een onjuist ingesteld expansieventiel kan leiden tot ernstige compressorschade. Zo kan een te veel aan ingespoten koudemiddel (te kleine overhitting) leiden tot vloeistofslag. Een te grote overhitting zorgt soms voor oververhitting van de compressor. Het thermosstatisch expansieventiel heeft twee belangrijke nadelen: - Een beperkt regelgebied. Het is niet mogelijk om in de winter de condensortemperatuur vrij te laten meedalen met de buitentemperatuur, omdat de inspuitcapaciteit beperkt is bij lage drukverschillen. Met de toepassing van een tweede parallel-ventiel in koude periodes, is deze beperking op te lossen. - Een trage reactietijd. Dit nadeel komt het sterkst naar voren in dynamische systemen of systemen die veel belastingvariaties kennen Elektronisch expansieventiel Elektronische expansieventielen zijn er in twee soorten: continue regeling of open/dicht-regeling. Bij de open/dicht-regeling wordt de klep afwisselend geopend en gesloten. Naarmate de klep relatief meer open staat heeft deze meer capaciteit. De nadelen van dit discontinue systeem zijn de versnellende effecten in de vloeistofleiding naar het ventiel. Deze nadelen kun je beperken door een afdoende diameter vloeistofleiding. Ook moet de verdamper genoeg koudemiddelinhoud hebben, om continu voldoende benat te zijn. Bij de continue regeling wordt het elektronisch expansieventiel aangestuurd door een stappenmotor die, net als bij een thermostatische expantieventiel, de opening continue kan variëren. Een elektronisch expansieventiel kan sneller reageren dan een thermosstatisch expansieventiel en heeft vaak een groter regelbereik. Elektronische expansieventielen kunnen een oververhitting van 4 tot 5 K realiseren. Met slimme regelingen die rekening houden met verwachte belastingvariaties kunnen soms nog lagere oververhittingen gerealiseerd worden. Door het grotere regelbereik van 10 tot 100% kan de condensortemperatuur tot +15 C meedalen in de koudere jaargetijden. Hierdoor kan de energiebesparing oplopen tot 15 à 20% Natte verdamping Bij natte (flooded) verdamping of pompcirculatie circuleert het koudemiddel met behulp van een pomp vanuit een lagedruk-vloeistofvat naar één of meerdere verdampers. Nadat het koudemiddel gedeeltelijk verdampt is, stroomt het vloeistof-/ 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 koudemiddelstroom door de verdampers. Een vlotter regelt de vloeistofstroom naar de afscheider van het koelsysteem. Dit gebeurt 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 5.2). november /47

36 Figuur 5.2 november /47

37 6 Secundaire koudedragers 6.1 Algemeen Secundaire koudedragers zijn warmteoverdrachtsmedia die in de verdamper gekoeld worden door het koudemiddel; via pompcirculatie nemen ze warmte op van diverse verbruikers. Vrijwel alle secundaire koudedragers nemen alleen voelbare warmte op en geen latente. De uitzonderingen zijn koolzuurgas en ijsslurrie, stoffen die een faseovergang hebben van vloeibaar naar gas, respectievelijk van vast naar vloeibaar. De voordelen van het gebruik van een secundaire koudedrager zijn velerlei. - De koudemiddelinhoud is kleiner, waardoor ook de lekkagekans kleiner is. Het koudemiddel is alleen aanwezig in de compressor- en pompruimte; lekdetectie en een eventuele reparatie zijn makkelijker. - Het maakt onder meer de toepassing van milieuvriendelijke, maar giftige of brandbare koudemiddelen mogelijk. Bijvoorbeeld de natuurlijke koudemiddelen (ammoniak) en koolwaterstoffen. Het nadeel bij het gebruik van een secundaire koudedrager is dat er extra pompenergie nodig is die weggekoeld moet worden en dat er een extra warmteoverdracht plaatsvindt met energieverlies. Dit verlies resulteert in een groter verschil tussen verdampings- en condensatietemperatuur. Bij een goed ontwerp, en vooral bij toepassing van een natuurlijk koudemiddel zoals ammoniak, wordt dit nadeel te niet gedaan en kan zelfs sprake zijn van een kleine positieve invloed op het energiegebruik. Figuur 6.1Schema van een lagedrukniveauregeling november /47

38 6.2 Typen koudedrager De ter beschikking staande koudedragers zonder faseovergang zijn bijvoorbeeld: calciumchloride, d-limone, ethanol, ethyleenglycol, kaliumacetaat, kaliumformaat en polypropyleenglycol en met faseovergang kooldioxide en water-ethanol ijsslurrie (flowice). Voor het selecteren van een koudedrager zijn de volgende aspecten van belang: - transporteigenschappen (viscositeit); - thermodynamische eigenschappen; - giftigheid en brandbaarheid; - corrosie-eigenschappen (materiaalkeuze leidingen en warmtewisselaars); - kostprijs. Omdat het vriespunt van de koudedrager ónder de toepassingstemperatuur 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 warmteoverdracht, zijn de meeste indirecte systemen niet beter als het gaat om investeringskosten en energiegebruik. Een uitzondering vormen de tweefasenkoudedragers, zoals koolzuur en water-ethanol ijsslurries, die op beide punten gunstig presteren (ref. 9 en 10). november /47

39 7 Koudebuffers Koudebuffers worden enerzijds gebruikt als koude accu s. Kleine koudebuffers in de vorm van losse pakketten kunnen dienen om producten in containers of vaten te koelen gedurende in- of extern transport. Tevens kunnen koudebuffers eventueel een variërende hoeveelheid zonne- en windenergie opslaan in de vorm van koude. Zo kunnen grote vrieshuizen dienst doen als koudebuffer: door deze koud te trekken op het moment dat er een overschot is aan elektrische energie en stop te zetten in tijden van krapte. Daarnaast kunnen koudebuffers toegepast worden als noodkoeling bij stroomuitval. Anderzijds worden koudebuffers toegepast als geïntegreerd onderdeel in een koelcircuit voor het afvlakken van pieken en dalen in de koudevraag. Natuurlijk is dit alleen een optie als deze variaties in koudevraag niet op een andere manier te voorkomen zijn! Door de piekverbruiken op te vangen is het mogelijk om een koelinstallatie te ontwerpen waarvan de capaciteit dichter bij de gebruikscapaciteit ligt en die dus het vollastrendement beter benadert. Het afvlakken lukt beter naarmate de koude-inhouden de afgifte/opnamecapaciteit groter zijn. Dit moet echter wel opwegen tegen het feit dat er extra compressie-energie nodig is. Dit omdat de buffering van koude-energie op een lager temperatuurniveau plaatsvindt dan eigenlijk voor het proces nodig is. Om koude-energie te kunnen opslaan, staan twee verschillende 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 aanmerking, omdat water in ruime mate aanwezig is en eenvoudig in een vat is op te slaan, maar vooral omdat het een goede warmteoverdrachtscoëfficiënt 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 lagere temperaturen eutectische zoutoplossingen. Deze stoffen hebben bij het smeltof stolpunt de eigenschap dat energie bij constante temperatuur wordt afgestaan of opgenomen. De voordelen van deze methode zijn een hoge opslagdichtheid en een eenvoudige energieregeling, dit omdat de temperatuur tijdens de energietransformatie constant is. 7.1 IJsbuffers Bij ijsbuffers komt de energie vrij bij 0 C. Dit wil zeggen dat het procesmedium met 1 à 2 C ter beschikking staat, afhankelijk van het type ijsbuffer. De stollings- of smeltwarmte is 333 kj/kg bij 0 C. Om de buffer te bevriezen is een koelinstallatie nodig die bij -8 tot -10 C energie levert. Er zijn meerdere typen ijsbuffers: - Met uitwendige afsmelting of direct systeem. Bij dit type, meestal ijsbank genaamd, is er direct contact tussen het te koelen water en het ijs. Het ijs wordt november /47

40 daarbij opgebouwd 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 koelinstallatie 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 figuur 7.1). Figuur 7.1IJsbank met uitwendig afsmeltsysteem Bij het ontwerp van een ijsbank geldt een aantal criteria: - Een regelmatige ijsopbouw; vooral bij directe verdamping moet rekening worden gehouden met het oververhittingsgebied. - De plaats van de ijsdiktevoeler is kritisch; onder alle omstandigheden moet worden voorkomen dat de ijslagen op pijpen of platen aan elkaar groeien (ijsbrugvorming). - Een gegarandeerde uitgaande watertemperatuur van 1 à 2 C 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, moet het water in de bak voldoende circuleren. Dit kan gerealiseerd worden door een roerwerk of door luchtagitatie. In het algemeen is er een voorkeur voor roerwerken. Dit omdat er bij gebruik van luchtagitatie veel kans is dat de lucht een hogere temperatuur heeft dan het ijswater en er meer kans is op corrosie (bij voorkeur koperen, roestvaststalen of kunststofleidingen toepassen) (figuur 7.2). Figuur 7.2IJsbank A met luchtagitatie resp. B met roerwerk - Met inwendige afsmelting of indirect systeem. Bij dit systeem wordt een water/glycol-oplossing door de koelmachine gekoeld c.q. door de gekoelde november /47

41 buizen 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 à 4 C. De energieefficiency van 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 voorkomen, is de hybride ijsbuffer ontworpen. Dit systeem functioneert met een ijsbuffer die ontladen wordt door een water/glycoloplossing 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 0,5 C van het vriespunt komen (ref. 11). - IJsopbouw bij falling film-verdampers. Bij falling film-verdampers, 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 daarna in stukken in een opvangbak. Het warme retourwater wordt in de bak gevoerd, en mengt zich met het daar aanwezige ijswater en ijs. Totdat het water zelf op 0 C komt, smelt het ijs af. Via pompen wordt het ijswater afgevoerd naar de gebruikers. In een op dit concept voortbordurend type en als alternatief voor de geschraapte warmtewisselaar, wordt het gevormde ijs vermalen tot ijsslurrie. Deze kan op zijn beurt naar de gebruikers worden geleid. - Geschraapte warmtewisselaar. Een van oudsher bekend type voor het produceren van grote hoeveelheden droogscherfijs is de geschraapte warmtewisselaar. Deze bestaat uit een groot stalen vat waar op de wand ijs wordt aangevroren. Het ijs wordt dan op zijn beurt, met behulp van roterende messen, weer van de wand geschraapt. De gevormde ijsschilfers vallen in een bak (de bin) en worden vandaar als los ijs getransporteerd naar de gebruiker. - De Flacker. Dit type bestaat uit een worm die in een rond huis draait (de Flacker). Ook hier wordt ijs aangevroren op de wand, dat door de worm wordt afgeschraapt. 7.2 Koudebuffers met eutectische zoutoplossingen Als er in een proces lagere temperaturen dan 0 C nodig zijn, gebruik je andere stoffen dan water. Dit zijn meestal eutectische zoutoplossingen die bij een constante temperatuur verschillende dooifasen doorlopen. Bij voorkeur moet de stollings- of smeltwarmte niet veel lager liggen dan die van water. De eutectica hebben een aantal specifieke kenmerken, zoals geringe kristallisatiesnelheid, uitzetting, onderkoeling en corrosie. De eutectica zijn in verband met mogelijke giftigheid en corrosiviteit vaak verpakt in afgesloten kunststofbolletjes (bijvoorbeeld polypropyleen). Een nadeel hiervan is dat de warmteweerstand van de kunststof een negatieve invloed heeft op de energie-efficiency. Door de samenstelling van de eutectica te variëren, kunnen vele vriespunten gekozen worden. De kleur van de bolletjes staat symbool voor een bepaald vriespunt. Deze bolletjes zijn op hun beurt weer in een tank of bak opgesloten. Om de koudebuffer te laden, moet de koelmachine koude leveren met een temperatuur die 20 K lager is dan de kristallisatietemperatuur. Dit heeft grote invloed op de energie-efficiency van het systeem. De grote uitzettingscoëfficiënt van eutectica leidt bij kristallisatie tot een volumetoename van 10%. Het hoge aandeel minerale zouten in de eutectica (tot 50%) maakt het mengsel zeer corrosief. november /47

42 november /47

43 8 Maatregelen ter verbetering van de energie-efficiency In de vorige hoofdstukken hebben we een aantal mogelijkheden genoemd om de energie-efficiency te verbeteren. Om een optimale warmtewisseling te handhaven is er daarnaast extra aandacht nodig voor de smeerolie in een koelkringloop en voor de ontluchting van het systeem. 8.1 Smeerolie De oliehuishouding van een koelinstallatie bepaalt voor een groot deel de goede werking. Zowel te weinig als te veel circulerende olie leidt tot storingen. Smeerolie in een koelinstallatie 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 afgescheiden en wordt teruggevoerd naar het compressorcarter. Niet alle olie kan worden afgescheiden, waardoor een deel (5 à 10%) met het koudemiddel mee door het koelsysteem circuleert. Voor een storingsvrije werking moet daarom bij het ontwerp van een installatie extra aandacht worden besteed aan de leidingloop; de plaatsing van eventuele olieafscheider(s); de juiste snelheden in de verdamper(s) en zuigleidingen en de olienivellering bij meerdere compressoren. Olie in combinatie met de moderne fluorkoolwaterstoffen (HFK s) vergt meer aandacht dan nodig is bij de hydrochlorofluorkoolwaterstoffen (HCFK s), zoals R 22. Omdat olie niet in ammoniak oplost kunnen in de koel-/vriesinstallatie problemen ontstaan. Bijvoorbeeld als de olie 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 efficiënter functioneert dan de gebruikelijke olieafscheider. In de normale afscheider worden alleen de oliedruppeltjes afgescheiden, maar in deze waskolom worden oliedamp en oliedruppeltjes afgevangen. Het restoliegehalte bedraagt minder dan 1 ppm. Voor zuiger- en schroefcompressoren werden aparte typen waskolommen ontwikkeld. Bij de zuigermachines vervangt de waskolom de olieafscheider (zie figuur 8.1) en bij de schroefcompressoren worden de olieafscheider en de oliekoeler vervangen door de waskolom. 8.2 Ontluchten Bij het ontluchten worden eventueel aanwezige niet-condenseerbare gassen afgevoerd. De niet-condenseerbare gassen bestaan over het algemeen uit lucht; dit als gevolg van onjuist vacuümeren van de installatie bij nieuwbouw of reparaties. Ook door het vullen met onzuiver koudemiddel en het uiteenvallen van smeerolie of koudemiddel ontstaan gassen. Deze niet-condenseerbare gassen verhogen de condensatiedruk en beïnvloeden daarmee het energiegebruik nadelig. De aanwezige lucht (met vocht) bevordert bovendien het uiteenvallen van de olie en daarmee de vorming van sludge in het systeem. november /47

44 De aanwezigheid van niet-condenseerbare gassen stel je vast door te controleren of de verzadigingstemperatuur van de vloeistof ná de condensor overeenstemt met de heersende vloeistofdruk. Niet-condenseerbare gassen zijn aanwezig als de gemeten uittredende vloeistoftemperatuur lager is dan de verzadigingstemperatuur behorende bij de condensordruk. De automatische ontluchter (of purger) is een kleine koelinstallatie die gewoonlijk ééns per 24 uur in bedrijf komt. De installatie controleert of er niet-condenseerbare aanwezig gassen zijn. De purger laat het koudemiddel condenseren op het verdamperoppervlak en scheid daardoor het koudemiddel van de niet-condenseerbare gassen. Als de concentratie niet-condenseerbare gassen boven de 2% ligt, kan het verdamperoppervlak-temperatuur ver genoeg dalen waarna de koude, nietcondenseerbare gassen geleidelijk afgeblazen kunnen worden. Als de concentratie nietcondenseerbare gassen beneden de 2% komt, stopt het proces vanzelf. Dit omdat de puger de oppervlaktetemperatuur niet laag kan houden. Om zo weinig mogelijk koudemiddel te verliezen is het van belang dat de persdruk niet te laag is tijdens het in bedrijf zijn van de purger. Dit omdat het koudemiddelverlies lineair verloopt met de verhouding tussen de druk van bij het verdamperoppervlak van de purger en de persdruk van de installatie. Figuur 8.1Oliewaskolom voor zuigercompressoren november /47

45 9 Ontwikkelingen 9.1 Kortetermijnontwikkelingen In de industrie worden steeds meer natuurlijke koudemiddelen zoals ammoniak toegepast, al of niet in combinatie met koolzuur (zie ref. 4). Ook het gebruik van koolwaterstoffen (mengsels van propaan en butaan) en water en/of lucht neemt toe. De overheid legt daarbij gaandeweg meer de nadruk op installaties met een laag energieverbruik en een kleine koudemiddelinhoud. Dit vanwege het milieu en de externe veiligheid. Het gebruik van indirecte koelsystemen in combinatie met natuurlijke koudemiddelen zal daarom sterk toenemen. Een andere trend is de opkomst van aluminium microchannel-warmtewisselaars. Dit zijn warmtewisselaars opgebouwd uit aluminium extrusieprofielen die zeer veel maar ook zeer kleine koudemiddelkanalen hebben. Deze techniek wordt al op grote schaal toegepast bij condensors van aircosystemen in auto s. Voordelen: de apparaten zijn lichter, goedkoper en duurzamer; ze hebben minder koudemiddelinhoud en zijn eenvoudiger te recyclen. Ook in de stationaire koeltechniek zal de warmtewisselaar op basis van koperen buis en aluminium vinnen worden verdreven door aluminium microchannel. Het toepassen van microchannels in verdampers is pas mogelijk als de problemen omtrent koudemiddelverdeling en het berijpen zijn opgelost. Figuur 9.1 november /47