08 Koeltechniek- warmtepomp

7/29/2019 08 Koeltechniek- warmtepomp

1/10

Desutter J. Toegepaste mechanica 6Tem 8.1

Hoofdstuk 8 : Koeltechniek- warmtepomp

8.1 Koelproces

Uit voorgaande weten we : om te verdampen is er warmte nodig. Deze warmte wordt uit deomgeving 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 hetgekende koelende effect.Als koelmiddel zal men bij voorkeur een vloeistof kiezen die reeds verdampt (kookt) bij lagetemperatuur (bij normale druk), bv. freon.Om niet altijd nieuw koelmiddel te moeten aanvoeren, hergebruikt men na verdamping terughet 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 hetbest met een compressor, vandaar spreektmen van een compressiekoelkast.

De koelinstallatie zal dus bestaan uit de

volgende onderdelen : verdamper : neemt warmte op

compressor : zal gas onder drukbrengen

condensor : zal samengeperstkoelgas omzetten in vloeistof (nogsteeds onder druk)

regelventiel : zal koelvloeistof onder druk ontspannen


2/10


8.2 Bouw


3/10


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 afgeeftaan de omgeving.

Men onderscheidt statische condensors, waarbij gebruik gemaakt wordt van de natuurlijkeventilatie en ventilerende condensors, waarbij een extra ventilator wordt geplaatst.

De luchtcirculatie rond de condensor mag niet gehinderd worden, waardoor deze regelmatigmoet gereinigd worden.

Bij inbouwtoestellen moet men voldoende ventilatie ruimte laten.

Bij grote industrile installaties en bij aircos zal men de condensor buiten plaatsen.


4/10


8.3.3 Regelventiel of capillair

Deze moet de vloeistof die uit de condensorkomt, die nog steeds onder hoge druk staat, indruk verminderen. Hiervoor zal men eensmoring in de leiding aanbrengen, zodat na dieweerstand de druk verlaagt. Hierdoor zal aleen deel van de vloeistof verdampen en

bekomt men natte damp.

Deze smoring kan d.m.v. :

1) een capillair : in huishoudinstallatiesdit is een lange, dunne buis met een inwendige diameter van 0,5 tot 2,5 mm.

2) een expansievenitiel : in grote industrile installatiesdeze is regelbaar

8.3.4 Verdamper

Net zoals de condensor is de verdamper eenwarmtewisselaar., dit betekent dat een grootcontactoppervlak het rendement zalverbeteren. Deze vind je altijd terug in de tekoelen ruimte.In de verdamper komt vloeistof binnen (metnog enkele dampbellen), deze wordtomgezet in damp. De nog aanwezigevloeistofdeeltjes mogen absoluut niet naarde compressor (cavitatie), dus deze wordenopgevangen in de accumulator.


5/10


8.3.5 Thermostaat of pressostaat

Deze schakelt de motor van de compressor bij stijgendetemperatuur in de koelkast.

8.3.6 Olie afscheider, filter/droger, kijkglas

Olie afscheider :In het karter van de compressor bevindt zicht olie. Deolieafscheider zorgt ervoor dat de olie niet met het gasvormigekoelmiddel meestroomt naar de condensor. Zo voorkom je dat:

1) de compressor vastloopt omdat deze geen olie meerheeft

2) op de verdamper en condensor een oliefilm aanwezigis die de warmteoverdracht zou belemmeren.

Merk evenwel op dat er in een huishoudkoelkast geen olieafscheider zit. Ditbetekent dat na verhuis van de koelkast de kans bestaat de olie in decompressor overal rond hangt en meegeperst wordt bij het in gebruik nemen.Daarom mag de koelkast pas na 24u gestart worden, zodat alle olie kanzakken.

een filter/droger :Deze bestaat uit een ronde buis met daarin silicagel (= een stof die vocht opneemt) die hetweinige vocht in de leidingen opslorpt. Zo kan het capillair of het expansieventiel nietdichtvriezen. Ook zuur en vuil worden door deze filter/droger verwijderd. Er zijn filter/drogersdie 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 veelaltoegepast bij grotere systemen.

een kijkglas :In de leiding wordt als het ware een kijkopening ingebouwd,zodat je het koelmiddel ziet. Gezien het kijkglas achter decondensor is gemonteerd, zal je niets zien vloeien als allesnormaal is. Voorbijstromende dampbellen zijn een teken dat decondensor zijn opdracht niet meer naar behoren vervult.Je moet deze dan inspecteren. Het kijkglas is bovendienvoorzien van een vochtindicator die normaal groen is, maar diegeel verkleurt als het vochtgehalte toeneemt. Dit betekent dat je

bijvoorbeeld de filter/droger moet vervangen. Dit impliceerttevens dat je het kijkglas achter de filter/droger moet plaatsen.Bij een huishoudkoelkast zal je meestal geen kijkglasterugvinden. Je kan ook een kijkglas inschakelen tussenolieafscheider en compressor, zodat je ook de olieterugvoer kuntcontroleren.


6/10


8.3.7 Koelmiddel

Als koelmiddel werden vroeger, en nu nog altijd, CFK's gebruikt. Dit is de afkorting voorchloorfluorkoolwaterstoffen. Soms wordt ook de naam Freon gebruikt : dit is de merknaamvan het in 1928 uitgevonden CFK van de firma Du Pont. De CFK's tasten echter deozonlaag aan.Vooral het chloor in deze verbinding zorgt voor een belangrijke afname van het natuurlijke ozongehalte (03) in de hogere luchtlagen van deaarde (15 tot 50 km boven het aardoppervlak). Hierdoor komen voor de aarde gevaarlijke ultraviolette stralingen van de zon doorheen dedampkring, 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 perkoelkast). Er worden ook CFK's gebruikt in spuitbussen, in het blaasmiddel voor het vervaardigen van isolatiematerialen (b.v. PUR) enkunststofschuimen 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 gedurendedecennia 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. Debelangrijkste zijn : koelmiddel 12, 22 en 502 of R12, R22 en R502 (of CFK-12, CFK-22 enCFK-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 hetozonafbraakpotentieel. 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 industrile toepassingen. Je

vindt het dus terug in koelbuffetten, vriescellen, waterkoelers, koelpakhuizen enkoeltransporten (in treinen, containers of in vrachtwagens). Het wordt ook gebruikt voorklimatisering van wagens. Het kookpunt op atmosferische luchtdruk ligt op -29,8 C. Hetwerd en wordt gebruikt voor temperaturen in de koelcellen die hoger zijn dan -15 C en ditvoor alle types van compressoren. De scheikundige formule is CClF2.

R22 is het koelmiddel voor het klimatiseren van woningen, koelpakhuizen, fabrieken vanvoedingswaren, koeling op schepen en in warmtepompen. Installaties met R22 nemenminder plaats in dan deze met R12. Het kookpunt op atmosferische luchtdruk ligt op - 40,8C. Het werd en wordt gebruikt voor lagere temperaturen dan bij R12 en dit voor alle typesvan compressoren. De scheikundige formule is CHClF2.

Onderzoek heeft aangetoond dat de ozonlaag minder wordt aangetast wanneer hetkoelmiddel naast fluor en koolstof ook waterstofatomen bevat en geen chlooratomen. Dezeworden 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 voorR12, het is een kleurloos gas, chemisch stabiel, niet explosief, niet corroderend en nietbrandbaar.Het nadeel van deze HFK's is, dat je in een bestaande installatie met bijvoorbeeld CFK-12, niet zomaar HFK-134a kan brengen. Deoplosbaarheid van de olin in het koelmiddel is anders en in extreme gevallen moet je de koelcompressor vervangen. Tegenwoordig heb jewel synthetische polyol-esterolin die perfekt samenwerken met het nieuwe koelmiddel. Bij omschakeling moet je wel degelijk rekeninghouden met het feit dat je niet zomaar de CFK's in de atmosfeer kan loslaten. Hiervoor bestaan speciale toestellen die de CFK's uit hetsysteem 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 NH3 : een typisch voorbeeld van gebruik is een ijsschaatsbaan.Ammoniak is helaas giftig (prikkelend voor de ogen) en het mag niet worden toegepast alskoelmiddel voor levensmiddelen. Het tast tevens de koperen leidingen aan.- water (R718) en lucht (R729) : ook water en lucht kunnen in hun temperatuurgebied (bovende 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'nkoelkast zijn toch niet echt gevaarlijk..


7/10


8.4 Onderhoud koelinstallatie

Na een tijd vormt er zich steeds ijs op een verdamper : niet bevroren, ingebrachtevoedingswaren geven soms damp af, die zich vastzet op de koudste oppervlakken. IJs isechter een zeer goede isolator, zodat warmteoverdracht wordt bemoeilijkt. Je moet dus opgeregelde tijdstippen koelkasten en diepvrieskisten ontdooien. In huishoudtoestellen beschikje over de zogenaamde "ontdooiknop". Bij industrile toestellen beschik je over eenontdooiweerstand. Op regelmatige tijdstippen stopt de koelcyclus en schakelt een tijdklok

een elektrische weerstand in die de lammellenbatterij ontdooit. Merk ten slotte op dat delammellen 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 koelenhoudt in dat de lucht door een ventilator over heel de kast wordtverspreid zodat de temperatuur overal dezelfde blijft.Bij no frost koelkasten blijft niet alleen de lucht in beweging, maar wordt ook allevochtigheid 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 deverschillende zones aan. Duid de volgorde aan waarin alles wordt doorlopen.

3. Bespreek de verschillende onderdelen van een compressiekoelkast.

4. Ammoniak (NH3) wordt in huishoudelijke toestellen niet gebruikt omdat heta. 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 isdan die van NH3.6. Wat kan je vertellen over de milieu aspecten en het gebruikte koelmiddel ?

7. Bespreek het onderhoud bij een compressiekoelkast.


8/10


8.6 Warmtepomp

8.6.1 inleiding

De atmosfeer, de bodem, de ondergrond,de waterlopen bevatten een zekerehoeveelheid warmte. Waarom zouden wedie niet opvangen en gebruiken ? We

kunnen deze elementen, die als dusdanigniet bruikbaar zijn, enkele graden afkoelen,zodat we warmte ter beschikking krijgen diezich helaas op een te lage temperatuurbevindt. De warmtepomp zal dezehoeveelheid warmte op een hogertemperatuurniveau brengen, zodat we zerechtstreeks kunnen gebruiken voor deverwarming.

8.6.2 Werking van de warmtepomp.

Wie een vloeistof wil overbrengen van een lager naar een hoger gelegen vergaarbak, heeftdaartoe een pomp nodig, die aangedreven wordt door een motor. Naar analogie noemt menwarmtepomp een toestel dat in staat is een hoeveelheid warmte op lage temperatuur naareen hogere temperatuur te brengen.De overdracht van warmte van een lager naar een hoger niveau geschiedt in een kringloop.de werkingIs analoog aan deze van de compressiekoelkast, maar omgekeerd.

1 . de verdamperhet koelmiddel, dat in een gesloten kring doorheen de warmtepomp vloeit, gaat in deverdamper van vloeibare naar de gasvormige toestand over, waarbij het warmte onttrekt aanzijn omgeving (water, buitenlucht, grond,...).

2. de compressor

het gas dat de verdamper verlaat, wordt door de compressor samengedrukt. Dezedrukverhoging gaat gepaard met een temperatuurverhoging.

3. de condensorwanneer de damp de compressor verlaat, gaat hij in de condensor opnieuw over in vloeibaretoestand, komt daar in contact met het verwarmingsvloeistof voor de woning (water of lucht),en verwarmt dit. Bij deze condensatie wordt warmte afgegeven.

4. de ontspannerde vloeistof onder hoge druk wordt er ontspannen, alvorens opnieuw naar de verdamper tegaan : op die wijze is de kring gesloten.

8.6.3 winsttaktor 1 =3

Het rendement van een warmtepomp wordt aangegeven door haar winstfactor. Deze isgelijk aan de verhouding tussen de hoeveelheid warmte die de warmtepomp afgeeft voor deverwarming van het huis, en de elektrische energie, verbruikt door de elektrische motor vande compressor. Deze verhouding is altijd groter dan 1. Met andere woorden : de warmte-energie, afgegeven door de warmtepomp, is groter dan de elektrische energie, opgenomendoor 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 nuttigverwarmingsvermogen van 3 kW. Iedere verkregen kWh warmte-energie kost dus in dit geval driemaalminder dan de verbruikte elektrische kWh.

Verdamper 2. Kompressor 3. Kondensor 4. Ontspanner


9/10


De winstfactor van een warmtepomp wordt rechtstreeks benvloed door hettemperatuurverschil tussen het milieu waaruit de pomp haar energie put, en hetverwarmingsfludum waaraan de warmte moet worden afgegeven. Dit is gemakkelijk tebegrijpen aan de hand van een analoog hydraulisch systeem : een waterpomp zal een des tekrachtiger motor nodig hebben naargelang het te overbruggen niveauverschil groter is, enomgekeerd. Dat geldt ook voor warmtepompen : de prestaties zijn beter wanneer detemperatuur van de koude bron hoog is en/of wanneer de warmte afgegeven wordt aan eenverwarmingssysteem 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 milieuwaaraan de warmtepomp haar energieonttrekt :

een zo hoog mogelijke enkonstante temperatuur te bezitten,

onbeperkt beschikbaar te zijn,

gratis te zijn. . . men moet er dusniet aan denken leidingwater te

gebruiken om een warmtepomp tevoeden.

Ieder element benadert dit ideaal inmeerdere of mindere mate.

De keuze van de bron zal bepaald worden door de beschikbaarheid van de koude bron, deprestaties van ieder systeem, en de noodzakelijke investering.Water(bijvoorbeeld water-water warmtepomp). In dit geval maakt de warmtepompgebruik van de vrij hoge en stabiele temperatuur van het grondwater (bv. grondwaterlaag) of,in mindere mate, van stromend oppervlaktewater (bv. beek of rivier). Oppervlaktewater ishelaas niet overal ter beschikking, en het gebruik van grondwater is gereglementeerd. Deinvesteringen voor het oppompen van het grondwater (boren van 2 putten), of voor hetopvangen en filtreren van het oppervlaktewater, benvloeden bovendien in hoge mate dekostprijs van een dergelijke installatie. Daartegenover staat dat met deze systemen een hogewinsttaktor 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 eeningegraven buizennet (spiraal) , waardoorheen een antivriesmiddel vloeit (glycolwater bv. ).Twee soorten wisselaars kunnen aangewend worden, in functie van de beschikbaretuinoppervlakte :

de horizontale (meest verspreid), ingegraven op een diepte van ongeveer 80 cm overeen 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 systeemheeft 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 enkelewetgeving gehinderd. Daarenboven verklaren het gemak en de lagere installatiekosten vande warmtepompen die hun energie uit de buitenlucht plukken, de grote ontwikkeling die zijkennen. Zij heeft evenwel het nadeel dat haar temperatuur laag is als de warmtebehoeftenhoog zijn. Onder bepaalde voorwaarden van temperatuur en vochtigheid van de buitenluchtkan de verdamper gaan bevriezen. Dit probleem kan echter gemakkelijk worden opgelostdoor de pompwerking tijdelijk om te keren.


10/10


8.6.5 Voorbeelden

8.7 Vragen warmtepomp

1. J-O Bij de warmtepomp wordt de kringloop in de andere zin doorlopen dan bij dekoelmachine.

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 Q1 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 wordten het verwarmingsfludum zo klein mogelijk is.

5. Voor welke verwarmingssystemen is een warmtepomp bruikbaarvoor verwarming op lage temperatuur (vloerverwarming)

6. Geef een aantal mogelijk systemen.

Documents

08 Koeltechniek- warmtepomp