Hoofdstuk 8 : Koeltechniek- warmtepomp 8.1 Koelproces Uit voorgaande weten we : om te verdampen is er warmte nodig. Deze warmte wordt uit de omgeving gehaald, waardoor de omgeving in temperatuur daalt. Dit koelprincipe wordt toegepast in een koelkast, diepvriezer, airco, : een koelmiddel laten verdampen in de te koelen ruimte, waardoor het warmte onttrekt uit die ruimte, met het gekende koelende effect. Als koelmiddel zal men bij voorkeur een vloeistof kiezen die reeds verdampt (kookt) bij lage temperatuur (bij normale druk), bv. freon. Om niet altijd nieuw koelmiddel te moeten aanvoeren, hergebruikt men na verdamping terug het koelmiddel. Dit kan door het koelmiddel terug te condenseren. Uit de kooklijn (zie fysica) kan dit door de damp samen te persen. Dit samenpersen van een damp kan het best met een compressor, vandaar spreekt men van een compressiekoelkast. De koelinstallatie zal dus bestaan uit de volgende onderdelen : verdamper : neemt warmte op compressor : zal gas onder druk brengen condensor : zal samengeperst koelgas omzetten in vloeistof (nog steeds onder druk) regelventiel : zal koelvloeistof onder druk ontspannen Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.1
8.2 Bouw Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.2
8.3 Onderdelen 8.3.1 Compressor Deze zuigt aan uit de verdamper. De aangezogen damp moet zeker oververhit (onverzadigd) zijn, zodat zeker geen vloeistof in de compressor komt. (zie diagram) 8.3.2 Condensor De condensor is een warmtewisselaar die de warmte aan de koelvloeistof onttrekt en afgeeft aan de omgeving. Men onderscheidt statische condensors, waarbij gebruik gemaakt wordt van de natuurlijke ventilatie en ventilerende condensors, waarbij een extra ventilator wordt geplaatst. De luchtcirculatie rond de condensor mag niet gehinderd worden, waardoor deze regelmatig moet gereinigd worden. Bij inbouwtoestellen moet men voldoende ventilatie ruimte laten. Bij grote industriële installaties en bij airco s zal men de condensor buiten plaatsen. Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.3
8.3.3 Regelventiel of capillair Deze moet de vloeistof die uit de condensor komt, die nog steeds onder hoge druk staat, in druk verminderen. Hiervoor zal men een smoring in de leiding aanbrengen, zodat na die weerstand de druk verlaagt. Hierdoor zal al een deel van de vloeistof verdampen en bekomt men natte damp. Deze smoring kan d.m.v. : 1) een capillair : in huishoudinstallaties dit is een lange, dunne buis met een inwendige diameter van 0,5 tot 2,5 mm. 2) een expansievenitiel : in grote industriële installaties deze is regelbaar 8.3.4 Verdamper Net zoals de condensor is de verdamper een warmtewisselaar., dit betekent dat een groot contactoppervlak het rendement zal verbeteren. Deze vind je altijd terug in de te koelen ruimte. In de verdamper komt vloeistof binnen (met nog enkele dampbellen), deze wordt omgezet in damp. De nog aanwezige vloeistofdeeltjes mogen absoluut niet naar de compressor (cavitatie), dus deze worden opgevangen in de accumulator. Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.4
8.3.5 Thermostaat of pressostaat Deze schakelt de motor van de compressor bij stijgende temperatuur in de koelkast. 8.3.6 Olie afscheider, filter/droger, kijkglas Olie afscheider : In het karter van de compressor bevindt zicht olie. De olieafscheider zorgt ervoor dat de olie niet met het gasvormige koelmiddel meestroomt naar de condensor. Zo voorkom je dat: 1) de compressor vastloopt omdat deze geen olie meer heeft 2) op de verdamper en condensor een oliefilm aanwezig is die de warmteoverdracht zou belemmeren. Merk evenwel op dat er in een huishoudkoelkast geen olieafscheider zit. Dit betekent dat na verhuis van de koelkast de kans bestaat de olie in de compressor overal rond hangt en meegeperst wordt bij het in gebruik nemen. Daarom mag de koelkast pas na 24u gestart worden, zodat alle olie kan zakken. een filter/droger : Deze bestaat uit een ronde buis met daarin silicagel (= een stof die vocht opneemt) die het weinige vocht in de leidingen opslorpt. Zo kan het capillair of het expansieventiel niet dichtvriezen. Ook zuur en vuil worden door deze filter/droger verwijderd. Er zijn filter/drogers die je nooit moet vervangen gedurende de levensloop van de huishoudkoelkast. Ook zijn er filter/drogers waarop je de patronen met silicagel kan vervangen. Deze laatste worden veelal toegepast bij grotere systemen. een kijkglas : In de leiding wordt als het ware een kijkopening ingebouwd, zodat je het koelmiddel ziet. Gezien het kijkglas achter de condensor is gemonteerd, zal je niets zien vloeien als alles normaal is. Voorbijstromende dampbellen zijn een teken dat de condensor zijn opdracht niet meer naar behoren vervult. Je moet deze dan inspecteren. Het kijkglas is bovendien voorzien van een vochtindicator die normaal groen is, maar die geel verkleurt als het vochtgehalte toeneemt. Dit betekent dat je bijvoorbeeld de filter/droger moet vervangen. Dit impliceert tevens dat je het kijkglas achter de filter/droger moet plaatsen. Bij een huishoudkoelkast zal je meestal geen kijkglas terugvinden. Je kan ook een kijkglas inschakelen tussen olieafscheider en compressor, zodat je ook de olieterugvoer kunt controleren. Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.5
8.3.7 Koelmiddel Als koelmiddel werden vroeger, en nu nog altijd, CFK's gebruikt. Dit is de afkorting voor chloorfluorkoolwaterstoffen. Soms wordt ook de naam Freon gebruikt : dit is de merknaam van het in 1928 uitgevonden CFK van de firma Du Pont. De CFK's tasten echter de ozonlaag aan. Vooral het chloor in deze verbinding zorgt voor een belangrijke afname van het natuurlijke ozongehalte (0 3) in de hogere luchtlagen van de aarde (15 tot 50 km boven het aardoppervlak). Hierdoor komen voor de aarde gevaarlijke ultraviolette stralingen van de zon doorheen de dampkring, wat de risico's voor huidkanker doet toenemen. Het lozen van CFK's uit koelkasten gebeurt pas bij een lek of als de koelkast op de schroothoop terechtkomt. Maar CFK's werden en worden niet enkel gebruikt in de koeltechniek (slechts 10% en slechts 150 g per koelkast). Er worden ook CFK's gebruikt in spuitbussen, in het blaasmiddel voor het vervaardigen van isolatiematerialen (b.v. PUR) en kunststofschuimen en in reinigingsmiddelen voor elektronische onderdelen. En veel van deze CFK's komen in de dampkring terecht. Daarom werd wereldwijd voorgesteld om deze CFK's te weren en ze te vervangen door alternatieve producten. Wel zullen gedurende decennia de talrijke koelkasten en vriescellen op het oudere koelmiddel blijven werken. De meeste van deze CFK's hebben de aanduiding R (van Refrigerant of koelmiddel) gekregen of in vergelijking met de nieuwe koelmedia, gewoon de benaming CFK. De belangrijkste zijn : koelmiddel 12, 22 en 502 of R12, R22 en R502 (of CFK-12, CFK-22 en CFK-502). Naast deze bestaan ondermeer R11, R13, R14, R113, R114, R500, R503. Een getal geeft aan hoe schadelijk het gas is voor de ozonlaag : het ODP (afkorting van Ozon Depletion Potential) of het ozonafbraakpotentieel. Het ODP werd voor CFK11 vastgelegd op het getal 1. Hoe groter dit getal, hoe meer het gas de ozonlaag aantast. R12 is het meeste gebruikte koelmiddel voor huishoudelijke en industriële toepassingen. Je vindt het dus terug in koelbuffetten, vriescellen, waterkoelers, koelpakhuizen en koeltransporten (in treinen, containers of in vrachtwagens). Het wordt ook gebruikt voor klimatisering van wagens. Het kookpunt op atmosferische luchtdruk ligt op -29,8 C. Het werd en wordt gebruikt voor temperaturen in de koelcellen die hoger zijn dan -15 C en dit voor alle types van compressoren. De scheikundige formule is CClF 2. R22 is het koelmiddel voor het klimatiseren van woningen, koelpakhuizen, fabrieken van voedingswaren, koeling op schepen en in warmtepompen. Installaties met R22 nemen minder plaats in dan deze met R12. Het kookpunt op atmosferische luchtdruk ligt op - 40,8 C. Het werd en wordt gebruikt voor lagere temperaturen dan bij R12 en dit voor alle types van compressoren. De scheikundige formule is CHClF 2. Onderzoek heeft aangetoond dat de ozonlaag minder wordt aangetast wanneer het koelmiddel naast fluor en koolstof ook waterstofatomen bevat en geen chlooratomen. Deze worden HFK's genoemd, waarbij H staat voor waterstof. Voorbeelden hiervan zijn HFK - 143a, HFK-125, HFK-134a, HFK-404a. Zo blijkt HFK-134a het ideale vervangmiddel voor R12, het is een kleurloos gas, chemisch stabiel, niet explosief, niet corroderend en niet brandbaar. Het nadeel van deze HFK's is, dat je in een bestaande installatie met bijvoorbeeld CFK-12, niet zomaar HFK-134a kan brengen. De oplosbaarheid van de oliën in het koelmiddel is anders en in extreme gevallen moet je de koelcompressor vervangen. Tegenwoordig heb je wel synthetische polyol-esteroliën die perfekt samenwerken met het nieuwe koelmiddel. Bij omschakeling moet je wel degelijk rekening houden met het feit dat je niet zomaar de CFK's in de atmosfeer kan loslaten. Hiervoor bestaan speciale toestellen die de CFK's uit het systeem halen. Deze CFK's kunnen dan onschadelijk gemaakt worden. Naast de CFK's en HFK's ken je ook de HCFK's: dit zijn chloorfluorkoolwaterstoffen. Ook anorganische koelmedia (dus van minerale oorsprong) worden gebruikt. - ammoniak (R717) of NH 3 : een typisch voorbeeld van gebruik is een ijsschaatsbaan. Ammoniak is helaas giftig (prikkelend voor de ogen) en het mag niet worden toegepast als koelmiddel voor levensmiddelen. Het tast tevens de koperen leidingen aan. - water (R718) en lucht (R729) : ook water en lucht kunnen in hun temperatuurgebied (boven de 0 C) als koelmedia worden gebruikt. Tegenwoordig worden ook propaan (R290) en isobutaan (R600a) toegepast: deze "koelmedia" worden meer en meer gebruikt in de zogenaamde "groene" huishoudkoelkasten. Propaan en isobutaan zijn wel min of meer brandbaar, maar de geringe hoeveelheden in zo'n koelkast zijn toch niet echt gevaarlijk.. Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.6
8.4 Onderhoud koelinstallatie Na een tijd vormt er zich steeds ijs op een verdamper : niet bevroren, ingebrachte voedingswaren geven soms damp af, die zich vastzet op de koudste oppervlakken. IJs is echter een zeer goede isolator, zodat warmteoverdracht wordt bemoeilijkt. Je moet dus op geregelde tijdstippen koelkasten en diepvrieskisten ontdooien. In huishoudtoestellen beschik je over de zogenaamde "ontdooiknop". Bij industriële toestellen beschik je over een ontdooiweerstand. Op regelmatige tijdstippen stopt de koelcyclus en schakelt een tijdklok een elektrische weerstand in die de lammellenbatterij ontdooit. Merk ten slotte op dat de lammellen van een koelbatterij verder uit elkaar staan dan deze van een verwarmingsbatterij : de batterij kan dan moeilijker dichtvriezen. Merk op : De nieuwste koelkasten zijn energiezuinig en beschikken dikwijls over meerdere koelzones : diepvrieszone, vershoudzone, koelzone, en kelderzone. Dynamisch koelen houdt in dat de lucht door een ventilator over heel de kast wordt verspreid zodat de temperatuur overal dezelfde blijft. Bij no frost koelkasten blijft niet alleen de lucht in beweging, maar wordt ook alle vochtigheid aan de lucht onttrokken zodat er zicht geen rijmlaag afzet tegen de verdamper. Deze oplossingen verbruiken wel meer energie. 8.5 Vragen 1. De natuurkundige principes waarop een koelkringloop gebaseerd is, zijn : warmte opnemen bij : verdamping warmte afstaan bij : condensatie 2. Bespreek de kringloop in een compressiekoelkast a.d.h.v. een schema, duid de verschillende zones aan. Duid de volgorde aan waarin alles wordt doorlopen. 3. Bespreek de verschillende onderdelen van een compressiekoelkast. 4. Ammoniak (NH 3 ) wordt in huishoudelijke toestellen niet gebruikt omdat het a. verstikkend werkt bij lekken b. prikkelend werkt op de ademhaling bij lekken c. de koperen leidingen aantast d. een te grote verdampingswarmte heeft 5. J-O Freon kan zowel industrieel als huishoudelijk worden gebruikt. Juist: al zal er een groter debiet nodig zijn om dat de verdampingswarmte kleiner is dan die van NH 3. 6. Wat kan je vertellen over de milieu aspecten en het gebruikte koelmiddel? 7. Bespreek het onderhoud bij een compressiekoelkast. Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.7
8.6 Warmtepomp 8.6.1 inleiding De atmosfeer, de bodem, de ondergrond, de waterlopen bevatten een zekere hoeveelheid warmte. Waarom zouden we die niet opvangen en gebruiken? We kunnen deze elementen, die als dusdanig niet bruikbaar zijn, enkele graden afkoelen, zodat we warmte ter beschikking krijgen die zich helaas op een te lage temperatuur bevindt. De warmtepomp zal deze hoeveelheid warmte op een hoger temperatuurniveau brengen, zodat we ze rechtstreeks kunnen gebruiken voor de verwarming. Verdamper 2. Kompressor 3. Kondensor 4. Ontspanner 8.6.2 Werking van de warmtepomp. Wie een vloeistof wil overbrengen van een lager naar een hoger gelegen vergaarbak, heeft daartoe een pomp nodig, die aangedreven wordt door een motor. Naar analogie noemt men «warmtepomp» een toestel dat in staat is een hoeveelheid warmte op lage temperatuur naar een hogere temperatuur te brengen. De overdracht van warmte van een lager naar een hoger niveau geschiedt in een kringloop. de werking Is analoog aan deze van de compressiekoelkast, maar omgekeerd. 1. de verdamper het koelmiddel, dat in een gesloten kring doorheen de warmtepomp vloeit, gaat in de verdamper van vloeibare naar de gasvormige toestand over, waarbij het warmte onttrekt aan zijn omgeving (water, buitenlucht, grond,...). 2. de compressor het gas dat de verdamper verlaat, wordt door de compressor samengedrukt. Deze drukverhoging gaat gepaard met een temperatuurverhoging. 3. de condensor wanneer de damp de compressor verlaat, gaat hij in de condensor opnieuw over in vloeibare toestand, komt daar in contact met het verwarmingsvloeistof voor de woning (water of lucht), en verwarmt dit. Bij deze condensatie wordt warmte afgegeven. 4. de ontspanner de vloeistof onder hoge druk wordt er ontspannen, alvorens opnieuw naar de verdamper te gaan : op die wijze is de kring gesloten. 8.6.3 winsttaktor 1 = 3 Het rendement van een warmtepomp wordt aangegeven door haar winstfactor. Deze is gelijk aan de verhouding tussen de hoeveelheid warmte die de warmtepomp afgeeft voor de verwarming van het huis, en de elektrische energie, verbruikt door de elektrische motor van de compressor. Deze verhouding is altijd groter dan 1. Met andere woorden : de warmteenergie, afgegeven door de warmtepomp, is groter dan de elektrische energie, opgenomen door de motor van de compressor. Voorbeeld van een energiebalans van een warmtepomp voor een warmtepomp met een compressor met een vermogen van 1 kw en een afgegeven nuttig verwarmingsvermogen van 3 kw. Iedere verkregen kwh warmte-energie kost dus in dit geval driemaal minder dan de verbruikte elektrische kwh. Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.8
De winstfactor van een warmtepomp wordt rechtstreeks beïnvloed door het temperatuurverschil tussen het milieu waaruit de pomp haar energie put, en het verwarmingsfluïdum waaraan de warmte moet worden afgegeven. Dit is gemakkelijk te begrijpen aan de hand van een analoog hydraulisch systeem : een waterpomp zal een des te krachtiger motor nodig hebben naargelang het te overbruggen niveauverschil groter is, en omgekeerd. Dat geldt ook voor warmtepompen : de prestaties zijn beter wanneer de temperatuur van de koude bron hoog is en/of wanneer de warmte afgegeven wordt aan een verwarmingssysteem op lage temperatuur (30 tot 55 C vloerverwarming), eerder dan aan een verwarmingssysteem op hoge temperatuur (90/70 C bv. ). 8.6.4 Keuze van de bron In het ideale geval dient het milieu waaraan de warmtepomp haar energie onttrekt : een zo hoog mogelijke en konstante temperatuur te bezitten, onbeperkt beschikbaar te zijn, gratis te zijn... men moet er dus niet aan denken leidingwater te gebruiken om een warmtepomp te voeden. Ieder element benadert dit ideaal in meerdere of mindere mate. De keuze van de bron zal bepaald worden door de beschikbaarheid van de koude bron, de prestaties van ieder systeem, en de noodzakelijke investering. Water (bijvoorbeeld «water-water» warmtepomp). In dit geval maakt de warmtepomp gebruik van de vrij hoge en stabiele temperatuur van het grondwater (bv. grondwaterlaag) of, in mindere mate, van stromend oppervlaktewater (bv. beek of rivier). Oppervlaktewater is helaas niet overal ter beschikking, en het gebruik van grondwater is gereglementeerd. De investeringen voor het oppompen van het grondwater (boren van 2 putten), of voor het opvangen en filtreren van het oppervlaktewater, beïnvloeden bovendien in hoge mate de kostprijs van een dergelijke installatie. Daartegenover staat dat met deze systemen een hoge winsttaktor bereikt wordt gedurende het hele verwarmingsseizoen. De grond (bv. «grond-water» warmtepomp ) De zonnewarmte die in de grond zit opgeslagen, wordt opgevangen door middel van een ingegraven buizennet (spiraal), waardoorheen een antivriesmiddel vloeit (glycolwater bv. ). Twee soorten wisselaars kunnen aangewend worden, in functie van de beschikbare tuinoppervlakte : de horizontale (meest verspreid), ingegraven op een diepte van ongeveer 80 cm over een vrij grote oppervlakte (zowat 2 maal de te verwarmen oppervlakte); de vertikale (met kleinere oppervlakte, maar gevaar voor het bevriezen van de grond). De kostprijs van het buizennet verhoogt natuurlijk de installatiekosten, maar het systeem heeft het voordeel dat het een beroep doet op een stabielere warmtebron dan de buitenlucht, en dat het dus een hoge winstfactor behoudt. De buitenlucht ( «lucht-lucht» of «lucht-water» wanntepomp ) De omgevingslucht is overvloedig, kost niets en het gebruik ervan wordt door geen enkele wetgeving gehinderd. Daarenboven verklaren het gemak en de lagere installatiekosten van de warmtepompen die hun energie uit de buitenlucht plukken, de grote ontwikkeling die zij kennen. Zij heeft evenwel het nadeel dat haar temperatuur laag is als de warmtebehoeften hoog zijn. Onder bepaalde voorwaarden van temperatuur en vochtigheid van de buitenlucht kan de verdamper gaan bevriezen. Dit probleem kan echter gemakkelijk worden opgelost door de pompwerking tijdelijk om te keren. Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.9
8.6.5 Voorbeelden 8.7 Vragen warmtepomp 1. J-O Bij de warmtepomp wordt de kringloop in de andere zin doorlopen dan bij de koelmachine. O: de zin is dezelfde. Het proces is nu bedoeld om de warmte Q2 te winnen. 2. Welke warmtebronnen staan ons gratis ter beschikking om aan een warmtepomp Q 1 te leveren? lucht, grondwater, rivierwater, warm afvalwater. 3. Wat is winstfactor van een warmtepomp? 4. Waneer zal de winstfactor van een warmtepomp het grootst zijn? Als het temperatuursverschil tussen het milieu waaruit de warmte gehaald wordt en het verwarmingsfluïdum zo klein mogelijk is. 5. Voor welke verwarmingssystemen is een warmtepomp bruikbaar voor verwarming op lage temperatuur (vloerverwarming) 6. Geef een aantal mogelijk systemen. Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.10