Klimaatbeheersing (4) E. Gernaat (ISBN 978-90-808907-6-3) 1 De mobiele R134a airconditioning 1.1 Werking en indeling Een airconditioning is samengesteld uit een groep componenten welke een gesloten circuit vormen en derhalve het natuurkundige kringloop proces realiseren. Het koudemiddel bevindt zich in dit circuit en ondergaat gedurende het proces voortdurend faseveranderingen. Van damp naar vloeistof en van vloeistof naar damp. Hierdoor ontstaat warmteverplaatsing. Als koudemiddel wordt R134a gebruikt. We herhalen: Het koudemiddel in vloeibare toestand en hogedruk ondergaat een plotselinge drukverlaging. Door de plotselinge drukverlaging zal het koudemiddel spontaan willen overgaan in dampvorm. Het onttrekt hiervoor warmte uit de passerende lucht (Het airco-effect). Er wordt zoveel warmte onttrokken dat de damp in geringe mate oververhit raakt. Vervolgens zal een compressor de damp op een hogere druk en temperatuur brengen. Door warmte af te voeren zal de damp tot vloeistof condenseren waarna het proces zich kan herhalen. In eerste instantie wordt onderscheid gemaakt tussen een aircosysteem met: een vast expansieventiel (capillair); een thermostatisch expansieventiel. Wanneer we een verdeling willen maken naar het type toegepaste compressor dan zouden we tot de volgende indeling kunnen komen: De aan/uit systemen (compressoren met vast slagvolume en magnetische koppeling); De systemen met koppeling en variabel slagvolume, zuigdruk geregeld; De systemen zonder koppeling en variabel slagvolume, extern geregeld. Een belangrijk extra onderdeel van een aircoinstallatie is het filter-droger systeem. De functie hiervan is om het koudemiddel van mechanische verontreinigingen te ontdoen en water (vocht) te verwijderen. Ook heeft het filter/droger een opslagfunctie. Bij een volledig systeem dienen we nog rekening te houden met diverse regelunits en beveiligingen. De meest essentiële hiervan zijn: de hoge- en lagedrukbeveiligingsschakelaars; de middendrukschakelaar; 1
de vorstbeveiligingsschakelaar. Genoemde systemen zijn systemen waarbij de compressor mechanisch al dan niet via een elektromagnetische koppeling wordt aangedreven. Nieuw zijn compressoren die door een elektromotor worden aangedreven. Bij dergelijke systemen is het toerental van de compressor niet meer afhankelijk van het motortoerental. Dit geeft nieuwe regelmogelijkheden. 2 Systemen met vast expansieventiel (capillair) Het meest eenvoudige, hoewel niet het meest voorkomende, is een systeem met een vaste vernauwing. Zo n expansieventiel wordt meestal een capillair genoemd. Gemakshalve laten we de gedetailleerde werking van de compressor in eerste instantie buiten beschouwing. Wel nemen we in ons basissysteem een filter/droger, hier meestal een accumulator genoemd op (fig. 1). Het aanzetten van het systeem geschiedt door de compressor d.m.v. een elektromagnetische koppeling in te schakelen. De koelcapaciteit kan slechts in beperkte mate geregeld worden. In veel gevallen zal de compressor uitgeschakeld moeten worden wanneer de omstandigheden daartoe aanleiding geven. Het circuit bevat de volgende onderdelen (fig. 1): een compressor; een condensor; een capillair of expansieventiel; een verdamper; ventilatoren; het koudemiddel R134a met (PAG)olie. 2.0.1 De compressor De compressor zorgt ervoor dat het koudemiddel rondgepompt wordt. De compressor zuigt damp vanuit de verdamper aan en comprimeert de damp. Hierdoor stijgt de druk en de temperatuur. De damp blijft oververhit. Er zijn -zoals reeds is opgemerkt- verschillende compressoruitvoeringen. 2.0.2 De condensor Het koudemiddel staat in de condensor warmte af. Het koudemiddel komt de condensor binnen in de vorm van oververhitte damp en verandert in de condensor tot onderkoelde vloeistof. De condensor bevindt zich in de meeste gevallen voorin de auto en is voor de radiator geplaatst. De condensor is een warmtewisselaar die kan bestaan (er zijn ook andere typen) uit gebogen buizen waarlangs lucht kan stromen. De rijwind voert de warmte van het koudemiddel af. Ook bestaan er watergekoelde condensors. Toyota past een type toe waarbij 2
Figuur 1: Een vereenvoudigd airco-systeem met capillair (bron Diavia) 3
het koudemiddel meerdere maken de condensor doorloopt. In de modulator vindt een afscheiding plaats van het vloeibare koudemiddel. Het koudemiddel dat nog steeds gasvormig is wordt weer teruggevoerd naar het condensatiegedeelte van de condensor. Het vloeibare koudemiddel passeert vervolgens het superkoel-gedeelte. In dit gedeelte vindt de onderkoeling plaats. Het rendement van een dergelijke condensor is aanzienlijk hoger (fig. 2). Figuur 2: De door Toyota toegepaste condensor met modulator. Het koudemiddel doorloopt de condensor meerdere maken. 2.0.3 Het capillair of vast expansieventiel Afgebeeld is een expansieventiel (capillair) met vaste vernauwing (fig. 3). Het huis zelf is meestal gemaakt van kunststof. Binnenin bevindt zich een gekalibreerd buisje. Voor en na het buisje bevindt zich een filter. Het capillair zorgt voor een snelle drukdaling en geeft de scheiding van het druk- en het zuiggedeelte van de compressor. Door de plotselinge drukverlaging daalt de kooktemperatuur snel en zal de vloeistof in damp moeten overgaan. De constructie van het capillair bepaalt de mate van drukverlaging en derhalve de temperatuur en dus de toestand waarin het koudemiddel de verdamper binnen gaat. Door de Figuur 3: Het capillair (orifice tube) in doorsnede. 1) van condensor, 2) inlaatfilter, 3) O-ring, 4) naar verdamper 5) uitlaatfilter, 6) het vernauwingsbuisje (capillair). Tek. Delphi Diavia 4
lengte het capillair ontstaat een min of meer geleidelijke drukverlaging. Gekalibreerde buisjes zijn in verschillende afmetingen te krijgen. Vervanging van een capillair door een capillair met andere afmetingen verandert de koelcapaciteit van het systeem. In fig. 4 is de invloed hiervan in het vereenvoudigd ph-diagram weergegeven. Het punt 5 geeft de praktische situatie weer. In 5 zien we dat het kookpunt eerder in het capillair wordt bereikt, hetgeen betekent dat de koelcapaciteit minder wordt omdat minder verdamping in de verdamper zelf plaatst vindt. In de situatie 5 wordt het kookpunt aan het einde van het capillair bereikt hetgeen betekent dat meer verdamping in de verdamper plaatsvindt en minder in het capillair. De koelcapaciteit is dan toegenomen. In fig. 4 is tevens Figuur 4: Invloed van de afmetingen van het capillair op de koelkapaciteit van een aircoinstallatie (bron Diavia). het extra drukverlies getekend dat optreedt in de accumulator. Traject 6-1. 2.0.4 De verdamper De taak van de verdamper is om de binnenstromende lucht naar het interieur van de auto te koelen. Een plotselinge drukdaling veroorzaakt door het expansieventiel zorgt voor een verzadigde damp. (= damp + vloeistof deeltjes) Dit mengsel van damp en vloeistofdeeltjes wordt m.b.v. de compressor door de verdamper gezogen. Een ventilator perst lucht door de verdamper. De warmte wordt aan de passerende lucht onttrokken. De ventilatorlucht koelt af. Deze warmte zorgt ervoor dat de vloeistofdeeltjes in damp overgaan. De damp verlaat de verdamper in oververhitte toestand. Fig. 5 toont ons een verdamper. 5
Figuur 5: Verdamper waarbij de in- en uitgang naast elkaar gemonteerd zijn (foto Toyota). 2.0.5 De accumulator De accumulator bij het systeem met capillair is meestal gemonteerd in het lagedruk gedeelte. Filteren, vochtverwijderen (drogen) en de opslag van koudemiddel zijn de voornaamste functies. De accumulator voorkomt dat er vloeistof door de pomp kan worden aangezogen. Deze kans is aanwezig omdat het capillair een vaste (niet regelbare) opening heeft. Vanaf de verdamper komt het koudemiddel in gasvorm met nog wat vloeistofdruppels de accumulator binnen. Het schild zorgt ervoor dat de vloeistofdeeltjes zich via zijkant beneden verzamelen. Het droogmiddel onttrekt vocht (water) aan het koudemiddel. Aan de bovenzijde wordt de damp door de compressor aangezogen. Via een gefilterde kleine opening (1 mm) kan opgevangen olie in kleine hoeveelheden worden meegezogen. In de accumulator van fig. 6 is veiligheidshalve aan de bovenzijde een drukschakelaar gemonteerd. Deze schakelt bij een te hoge druk de compressor uit. 2.0.6 De ventilatoren De ventilator, geplaatst voor de condensor, zorgt voor voldoende koellucht terwijl de ventilator voor de verdamper zorgt voor de hoeveelheid koele lucht die de auto binnenkomt. De ventilatorsnelheid voor de verdamper is door de bestuurder te regelen. Wanneer de airco wordt aangezet zal de deze ventilator moeten draaien. Het in- en uitschakelen van de koelventilator van de motor geschiedt veelal door het systeem zelf. 3 Airco met thermostatisch geregeld expansieventiel Een airco-systeem dat we meer aantreffen is een systeem met een thermostatisch geregeld expansieventiel, afgekort tot TEV. Het thermostatisch expansieventiel vervangt het capillair en is in principe een vernauwing waarvan de 6
Figuur 6: De accumulator is een filter/droger met opslagcapaciteit die voorkomt dat er koudemiddel in vloeistofvorm door de compressor wordt aangezogen. grootte van de opening geregeld wordt door de temperatuur van het uit de verdamper stromende gas. Er zijn verschillende uitvoeringen. Behalve de vervanging van het capillair door een thermostatisch geregeld expansieventiel is ook het filter/droger verschillend. Het filter/droger bevindt hier direct na de condensor en heeft dus te maken met het koudemiddel in vloeistofvorm. De functie beperkt zich dan hoofdzakelijk tot het filteren van het koudemiddel en het verwijderen van vocht. Fig. 7 geeft de componenten-opstelling van een dergelijk systeem. 3.0.7 Het thermostatisch expansieventiel Fig. 8 geeft de doorsnede weer van een thermostatisch expansieventiel met een meetgedeelte (bulb) op afstand. De temperatuur wordt gemeten na de verdamper. Afhankelijk van de temperatuur zal het gas in de bulb uitzetten en het membraan in de TEV naar beneden drukken. De doorlaat naar de verdamper wordt dan groter. De opening bedraagt gemiddeld 0,3 mm. Zou de temperatuur na de verdamper te hoog worden omdat te weinig koudemiddel door de verdamper gaat, dan wordt de opening groter waardoor meer koudemiddel toegelaten wordt en de temperatuur weer daalt. Het thermostatisch expansieventiel houdt de temperatuur (en druk) constant. Dit betekent ook dat er min of meer gegarandeerd koudemiddel in dampvorm door de compressor wordt aangezogen. 7
Figuur 7: De componenten van een airco met thermostatisch geregeld expansieventiel. 8
Figuur 8: Het thermostatisch expansieventiel met temperatuursensor (bulb) in doorsnede. 3.0.8 Het filter/droger Het filter/droger bij het systeem met TEV bevindt zich in het vloeistofgedeelte direct na de condensor (fig. 9). Bij sommige systemen is het filter/droger geïntegreerd met de condensor. De functie is drieledig: 1. Mechanische filtering Vaste deeltjes (bijv. slijtagedeeltjes van de compressor) zouden ervoor kunnen zorgen dat het thermostatisch expansieventiel verstopt en dat er extra slijtage in de compressor optreedt. Het gaat dan om deeltjes die de 15 µm overschrijden. 2. Ontvochtigen Vocht in het koudemiddel kan bevriezen. Het is dus zaak dat water wordt verwijderd. Dit gebeurt met behulp van een ontvochtigingsmiddel als silicagel. Ook kan water reageren met het koudemiddel of de olie waardoor corrosieve zuren ontstaan die de metalen delen in het systeem kunnen aantasten. 3. Op voorraad houden van koudemiddel Het filter/droger houdt ook een zekere hoeveelheid koudemiddel op voorraad. Dit is nodig wanneer de compressor opbrengst groter is als het verbruik via het expansieventiel. Ook heeft het filter/droger een geruisdempende invloed op de drukpulsen vanuit de compressor. 9
Figuur 9: Het filter/droger bevindt zich bij een systeem met thermostatisch expansieventiel na de condensor. 10
4 De airco-installatie opgebouwd uit symbolen Om een airco-installatie niet steeds tot in de details te behoeven tekenen en wat meer afstand te kunnen nemen tot allerlei uitvoeringsvormen van de onderdelen, worden airco-installaties wel met behulp van symbolen weergegeven. Fig. 10 geeft in symbolen de airco-installatie weer. Figuur 10: De airco-installatie opgebouwd uit symbolen. A) compressor, B) luchtgekoelde horizontaal geplaatste condensor, C) filterdroger bestaande uit: voorraadkamer (a), filter (b) en droger (c), D) thermostatisch expansieventiel met bulb en drukvereffening, E) verdamper met ventilator en lekbak. 5 Drukken en temperaturen in het systeem Door het meten van de verschillende drukken en temperaturen in het systeem kunnen we nagaan of het systeem correct functioneert (fig. 11). Hoewel drukken en temperaturen per systeem enigszins kunnen verschillen geven we hier een aantal richtwaarden: We nemen aan dat de buitenlucht-temperatuur zich tussen de 25 o C - 30 o C bevindt en de motor 2000 t/min maakt. In de aanzuigleiding (2) van de compressor heerst ongeveer een overdruk van 1,5 tot 2 bar. De temperatuur van het gas bedraagt tussen de 0 en + 6 o C. In de persleiding (3) van de compressor heerst een overdruk van 12-15 bar met een temperatuur van ongeveer 65 o C. Na de condensor in de leiding 4 is de druk ongeveer 11-14 bar en de temperatuur ongeveer 45 o C. Na het expansieventiel bij 1 zal de druk ongeveer 1,5 tot 2 bar zijn met een temperatuur van ongeveer -1 o C. De lucht die het interieur gekoeld binnenkomt bedraagt ongeveer 15 o C. In de praktijk is het meestal voldoende om de temperatuur en de druk te meten bij 2 en 4. In de tabel van fig. 12 worden de drukken in het systeem als functie van de buitentemperatuur weergegeven (ref. Peugeot). 11
interieur verdamper 2 1 expansieventiel buitenlucht temperatuur compressor 3 condensor 5 filter/droger 4 buitenlucht temperatuur Figuur 11: Schema van een airconditioning Figuur 12: De relatie tussen de buitenluchttemperatuur en de drukken in het airco-systeem 12
6 Vragen en opgaven 1. Een airco-installatie wordt wel een continu-systeem genoemd. Wat zal daarmee worden bedoeld? 2. Op welke natuurkundige eigenschappen berust de warmteverplaatsing van een airco? 3. Welke twee airco-systemen worden hier in eerste instantie onderscheiden? 4. Wat verstaan we onder een capillair? 5. Welk onderdeel zorgt voor de scheiding van het lage- en hogedrukgedeelte? 6. Tussen welke onderdelen is de accumulator geplaatst? 7. In welke toestand treedt het koudemiddel de condensor binnen en in welke toestand verlaat het koudemiddel de condensor? 8. Capillaire buisjes zijn er in verschillende afmetingen. Welk gedeelte van het ph-diagram wordt nu door de afmetingen van het capillair beïnvloed? Geef hiervoor een verklaring. 9. In welke toestand treedt het koudemiddel de verdamper binnen en in welke toestand verlaat het koudemiddel de verdamper? 10. Wat gebeurt er met de druk van het koudemiddel in het capillair? 11. Wat gebeurt er met de temperatuur van het koudemiddel in het capillair? 12. Welke vier taken vervult de accumulator? 13. Waarom moet ten alle tijden worden voorkomen dat de compressor vloeistof aanzuigt? 14. Geef de juiste volgorde van de onderdelen aan van een systeem met thermostatisch expansieventiel. Te beginnen met de compressor. 15. Wat is het nadeel van het systeem met capillair t.o.v. een systeem met thermostatisch expansieventiel? 16. Zijn er ook voordelen aan een capillair systeem? 17. Wat gebeurt er met de grootte van de doorstroomopening van een TEV wanneer de temperatuur van het koudemiddel bij de uitgang van de verdamper toeneemt? 18. Welke temperatuur en druk verwacht u aan te treffen bij de uitgang van de condensor en bij de uitgang van de verdamper? 19. Noteer in fig. 11 bij 1 t/m 5 de te verwachten temperaturen en drukken. 20. Op welke plaatsen wordt in de praktijk (bijna uitsluitend) gemeten? 21. Wat zal bij benadering de uittredende luchttemperatuur zijn bij de condensor wanneer de buitenluchttemperatuur 30 o C bedraagt? 22. Geef een verklaring voor het feit dat de condensor voor de radiator moet worden geplaatst en niet daarachter. 13