Klimaatbeheersing (3)

Transcriptie

1 Klimaatbeheersing (3) E. Gernaat (ISBN ) 1 Het airco-koelproces als kringloopproces 1.1 Het ph-diagram Het koelproces zoals in de auto-airco plaatsvindt maakt gebruik van de toestandsverandering van een stof. Bij een toestandsverandering (bijv. van vloeistof overgaan naar damp) verandert de moleculaire structuur van de stof. Voor deze verandering is warmte nodig. Warmte wordt opgenomen wanneer vloeistof over gaat naar damp. In het andere geval in de overgang van damp naar vloeistof wordt warmte afgestaan. Wanneer we de warmte toe- en afvoer op de omgeving betrekken dan geldt dat bij het verdampingsproces de omgeving afkoelt. Tijdens condensatie komt er warmte vrij en zal de omgeving opwarmen. Op het proces van condenseren en verdampen is het principe van de auto-airco gebaseerd. Omdat dit voortdurend wordt herhaald spreekt men van een kringloopproces. Een zeer eenvoudige principiële airco-installatie, zoals in fig. 1 wordt weergeven bestaat uit een verdamper, een condensor, een compressor en een vernauwing of expansieventiel. Het koudemiddel komt via de vernauwing in vloeistofvorm de verdamper binnen en wordt omgezet in damp. De warmte die daarvoor nodig is wordt onttrokken aan de passerende buitenlucht op weg naar het interieur van de auto. De lucht koelt daardoor af. Wanneer we vervolgens de damp weer om willen zetten in vloeistof dan moet de opgenomen warmte weer worden afgevoerd. Hiertoe wordt de damp gecomprimeerd door een compressor waardoor de temperatuur en druk aanzienlijk stijgen. De warmte kan nu worden afgevoerd waardoor condensatie plaatsvindt. Dit gebeurt in de condensor. De door de condensor stromende buitenlucht wordt dan opgewarmd. Door de drukverlaging die optreedt wanneer de vloeistof na de condensor de vernauwing passeert wordt de kooktemperatuur verlaagd en kan verdamping bij een lagere temperatuur plaatsvinden. Het betreft dan een continu proces van verdampen, warmte onttrekken aan de lucht gevolgd door warmte toevoeren aan de lucht en weer condenseren. Om een verandering in de aggregatietoestand te krijgen moet de kook- resp. condensatietemperatuur worden bereikt. De kooktemperatuur hangt echter af van de soort stof en de 1

2 verdamper 1 6 compressor ventilator vernauwing (expansieventiel) condensor 4 ventilator Figuur 1: Het principe van een auto-airconditioning. In de condensor condenseert het koudemiddel door warmte aan de buitenlucht af te staan. In de verdamper verdampt het koudemiddel door warmte aan de passerende lucht te onttrekken. Het geheel is een gesloten systeem. 2

3 druk. In een airco-installatie waarbij we lucht willen afkoelen tot zo n 20 o C is water met een kooktemperatuur van 100 o C niet geschikt. We dienen gebruik te maken van een vloeistof met een lagere kooktemperatuur. Als koudemiddel wordt tetrafluorethaan, beter bekend als R134a gebruikt. De kooktemperatuur van deze stof bedraagt, zoals reeds eerder is opgemerkt, bij de buitenluchtdruk van 1 bar -26 o C. Het kringloopproces van een airco-installatie volgens fig. 1 wordt voorgesteld in het diagram van fig. 2. De nummers 1 t/m 6 in beide tekeningen refereren aan elkaar. In dit vereenvoudigde diagram wordt een gas-, een vloeistof- en een gasvloeistofgebied onderscheiden. De top wordt gevormd door het kritische punt bij 101 o C en 40 bar. Dit is de maximale temperatuur resp. druk waarbij het middel nog chemisch stabiel is. De warmteinhoud (h) in kj/kg, enthalpie genoemd wordt uitgezet t.o.v. de druk (p). Men spreekt wel van een ph-diagram. Omdat de schaalverdeling logaritmisch is spreekt men van een lgph-diagram. We beginnen met de compressor die vanuit de Figuur 2: Het kringloopproces voorgesteld door het log-ph diagram (bron Delphi Diavia) verdamper het koudemiddel in dampvorm aanzuigt. Van 1 naar 2 wordt het gas door de compressor gecomprimeerd waardoor de druk omhoog gaat en de warmteinhoud door de compressie toeneemt. Ook de temperatuur neemt toe maar deze grootheid wordt niet in dit diagram vermeld. Het gas raakt duidelijk oververhit. Door warmteafgifte in de condensor (traject 2 t/m. 5) vermindert de warmteinhoud en zakt in eerste instantie de temperatuur waardoor het condensatiepunt wordt bereikt (traject 2-3). Vervolgens wordt door warmteafgifte bij gelijkblijvende temperatuur het gas omgezet in vloeistof 3

4 (traject 3-4). Door verdere afkoeling wordt de vloeistof enigszins onderkoeld. De vloeistof daalt dan in temperatuur (traject 4-5). De onderkoelde vloeistof onder hogedruk bereikt nu de vernauwing. Deze vernauwing of restrictie ook wel capillair of expansieventiel genoemd scheidt het hogedruk gedeelte van het lagedruk gedeelte. Vanuit de compressor bekeken kunnen we ook zeggen dat de persdruk daar wordt gescheiden van de zuigdruk. Door de plotselinge drukverlaging in de vernauwing zal het kookpunt van het koudemiddel in vloeistofvorm lager worden en zal spontane verdamping optreden. De warmte die hiervoor nodig is zal eerst uit het koudemiddel zelf en zijn nabije omgeving worden onttrokken. Het koudemiddel daalt in temperatuur en de warmteinhoud vermindert nauwelijks (traject 5-6). Vervolgens zal de volledige verdamping in de verdamper plaatsvinden. De warmteinhoud van het koudemiddel neemt toe en de hiervoor benodigde warmte wordt uit de omgeving, in dit geval de passerende lucht, onttrokken. Druk en temperatuur blijven nagenoeg gelijk. (traject 6-1). Als damp verlaat het koudemiddel de verdamper aangezogen door de compressor. Hierna herhaalt het proces zich. In werkelijkheid dienen we rekening te houden met drukverliezen ten gevolge van stroming. Ook willen we dat de damp aan de ingang van de compressor enigszins oververhit raakt om te voorkomen dat de compressor vloeistofdeeltjes aanzuigt. Bovendien is in de praktische uitvoering van het systeem een filter-element aangebracht waardoor extra drukverliezen ontstaan. Fig. 3 geeft dan d.m.v. de ononderbrokenlijn de realiteit weer. Een Figuur 3: Het kringloopproces van een aircoinstallatie waarbij rekening is gehouden met drukverliezen en oververhitting bij de ingang van de compressor (bron Diavia). 4

5 uitgebreidere versie van dit diagram staat bekend onder een Molliër diagram ook wel druk-enthalpie diagram genoemd. In dit diagram zijn behalve de warmteinhoud per kg.k ook het volumetrische gewicht en de temperatuur vermeld. Vooral de temperaturen zijn een welkome aanvulling omdat we nu met behulp van een eigen meting een ph-diagram kunnen maken. Fig. 4 geeft een voorbeeld. Beginnen we weer met de compressor bij A dan zien we dat in het traject A -A het gas oververhit raakt. De temperatuur bedraagt dan ongeveer 0 o C bij een druk van 2 bar. Ten gevolge van de compressie stijgt de temperatuur naar ongeveer 70 o C en een druk van 15 bar. Van B naar B raakt het gas zijn oververhitting kwijt en koelt af naar 55 o C. We zien dat in het traject B -C de temperatuur gelijk blijft. Bij het punt C hebben te maken met onderkoelde vloeistof van ongeveer 50 o C. Ten gevolge van de drukvermindering in het traject C-D daalt de kooktemperatuur naar van +50 o C naar -10 o C om uiteindelijk in het traject A-A als gas op te warmen tot 0 o C. We zijn dan de kring rond geweest. 5

6 Figuur 4: Het uitgebreide logph-diagram geeft ook de temperatuur weer (bron Diavia). 6

7 2 Vragen en opgaven 1. Bij het airco-systeem maken we gebruik van de aggregatietoestanden van het koudemiddel. Leg dit uit. 2. Op welke wijze verschilt dit met de koeling van de motor? 3. Wordt de omgeving warmer of kouder tijdens het condensatieproces? Verklaar het antwoord. 4. Uit welke onderdelen bestaat een eenvoudig airo-systeem (fig. 1)? 5. Wat is de functie van de vernauwing (expansieventiel)? 6. Wat verstaat men onder een kringloopproces? 7. Kent u behalve de airco nog meerdere kringloopprocessen? 8. Welke eenheden worden in een ph-diagram t.o.v. elkaar uitgezet? 9. Welk gebied bevindt zich binnen de neus van het ph-diagram? 10. Afgebeeld in fig. 2 is het ph-diagram van een airco-installatie. Omschrijf wat er gebeurt in: het traject 1-2; het traject 2-5; het traject 2-3; het traject 4-5; het traject 5-6; het traject Waarin verschilt fig. 2 van fig. 3? 12. Het volledige logph-diagram geeft fig. 4 weer. In dit diagram zijn ook de temperaturen vermeld. Geef nu de temperatuur en de druk weer bij punten A, A, B, B, C, C en D. A temperatuur: druk: A temperatuur: druk: B temperatuur: druk: B temperatuur: druk: C temperatuur: druk: C temperatuur: druk: D temperatuur: druk: 7