Hoe zit dat ook alweer?
Drukverhoudingen en capaciteitsregeling (1)
(Expertartikel) In deze rubriek geven specialisten uitleg over koeltechnische vraagstukken en gaan ze terug naar de basisprincipes van de koude-techniek. Dit keer staan drukverhoudingen en capaciteitsregeling centraal.
Grote temperatuurverschillen in koelsystemen treden op in industriële warmtepompen, maar ook in vriestoepassingen. Als we het temperatuurbereik daarbij beschouwen, kunnen koelsystemen opgedeeld worden in drie groepen: enkeltraps, meertraps en cascade.
De technische grenzen van enkeltraps
Naarmate temperatuurverschillen groter worden, komt een enkeltrapskoelsysteem aan zijn technische grenzen: te hoge persgastemperaturen, een hoge mechanische belasting door groot drukverschil, en/of slecht rendement door een te hoge drukverhouding. Met een cascade-koelsysteem kan dit worden opgelost door specifieke koudemiddelen voor de lage en de hoge temperatuur te selecteren. Helaas zit je dan wel vast aan een cascadewarmtewisselaar tussen beide systemen, met zijn benodigde temperatuurverschil. In veel situaties is het ook mogelijk om een eenvoudiger tweetrapskoelsysteem te gebruiken. Door compressie in twee opeenvolgende fasen uit te voeren, waarbij de persgassen van de eerste compressie worden teruggekoeld, vergroot je het toepassingsgebied.
Figuur 1: Principe van tweetrapscompressie met tussenkoeling, type C met open tussenvat
(bron: GEA Grasso).
Bij tweetrapskoelsystemen is de selectie van de juiste capaciteit van de lage en hoge druk erg belangrijk. Dit geldt niet enkel voor vollast, maar ook voor deellast. Een verkeerde verhouding geeft een te lage of te hoge tussendruk, en daarmee kom je buiten het toepassingsgebied.
De juiste koelvermogenverhouding is het eenvoudigst te realiseren met twee compressoren: een lage- en een hogedrukcompressor. In de praktijk wordt vaak gekozen voor een goedkopere compoundcompressor – een tweetrapscompressor met lage- en hogedrukcilinders. Daar is niets mis mee, mits de selectie correct wordt uitgevoerd.
Selecteren en besturen
Bij de meest voorkomende tweetrapstoepassing gaat het om ammoniakkoelsystemen, omdat de persgastemperatuur daarbij snel oploopt als de drukverhouding toeneemt. Het goed selecteren en besturen van een tweetraps-ammoniakkoelsysteem is een hele uitdaging. Het begint met de selectie van de juiste capaciteitsverhouding tussen de lage en de hoge druk. Daarbij gaat het dus om de capaciteit van de lage- en hogedrukcompressor of, in het geval van een tweetrapscompoundcompressor, om de verhouding tussen de lage- en hogedrukcilinders. Deze verhouding wordt in eerste instantie bepaald op basis van de gemiddelde – lees: meest voorkomende – verdampingstemperatuur/zuigdruk (po) en condensatietemperatuur/persdruk (pc) in vollast. Idealiter wordt de lage- en hogedrukverhouding zo gekozen dat de drukverhouding in beide trappen even groot is:
Controleer aan de hand hiervan of de compressor bij deze ontwerpcondities ruim binnen de grenzen van het toepassingsgebied draait. Maak een andere systeemkeuze als dit niet het geval is, anders krijg je onherroepelijk problemen in deellast en bij geringe wijzingen in draaicondities.
Draaien in deellast
Is de capaciteit (het slagvolume) van beide trappen eenmaal bepaald op basis van de gemiddeld meest voorkomende draaicondities, dan moet vervolgens worden gekeken hoe in deellast kan worden gedraaid. De eerste vraag daarbij is op welke minimale capaciteit er gedraaid moet kunnen worden. Hoe kun je deze minimale capaciteit opvangen met deellastregeling van een compressor en/of door toepassing van meerdere parallel opgestelde compressoren? De meest ideale capaciteitsregeling is een toerenregeling met frequentieregelaar. Zeker in het geval van een tweetraps-compoundcompressor waarbij de drukverhoudingen beperkt zijn tot een aantal vaste stappen (2:1, 3:1, 4:1 of 5:1) en ook nog eens afhankelijk zijn van het aantal actieve cilinders, heeft het zeker de voorkeur om de capaciteit te regelen middels toerenregeling. Als alternatief kan een compressor met een groot aantal cilinders worden gekozen om de capaciteit te kunnen regelen zonder al te grote schommelingen in de tussendruk.
Wordt vervolgd
De volgende editie van deze rubriek wordt over een maand gepubliceerd. Hierin gaan we verder met het tweede deel van deze uitleg, en daarbij geven we twee selectievoorbeelden: een met vaste draaicondities (vriesbewaring met constante Tc) en een tweede met variable draaicondities (batchgewijs invriesproces met omgevingstemperatuurafhankelijke Tc).
Vragen of opmerkingen naar aanleiding van dit artikel zijn welkom bij een van de auteurs (namen en mailadressen staan in het kader hieronder).
In deze rubriek geven specialisten uitleg over alledaagse koeltechnische vraagstukken. Vanuit de praktijk behandelen ze veelvoorkomende problemen en gaan daarbij terug naar de basisprincipes van de koudetechniek. De auteurs van de rubriek zijn Edo Wissink (edo.wissink@gtex.nl), Patrick van Zwam (info@gtex.nl) en Ernst Berends (ernst.berends@gea.com).
Heeft u een prangende vraag voor deze rubriek? Mail hem naar een van de auteurs.
> Eerdere onderwerpen die in ‘Hoe zit dat ook alweer’? werden behandeld:
Verdampers en pompsystemen
> Meer verdieping? Lees ook onze expertartikelen:
Laag-GWP-koudemiddelen als directe vervangers van R404A in warme landen
Onderzoek naar cohesiekracht van deeltjes in ijsslurrie bij opslag gedurende langere periodes
Onderzoek naar het gebruik van warmtebuizen in op luchtwarmtepompen gebaseerde radiatoren
Onderzoek naar de explosiekenmerken van mild ontvlambare koudemiddelen
Hoe zit dat ook alweer? Verdampers en pompsystemen
Optimalisatie van CO2-supermarktkoeling met een ejector
Speurtocht naar de laagst mogelijke temperatuur