Zo werkt het!
Ontdooien (deel 2)

4 november 2021

In deel 1 over ontdooien werden de verschillende soorten ontdooiing besproken. Naast elektrisch ontdooien wordt ook veelvuldig gebruikgemaakt van heetgas- of persgasontdooien. In dit tweede deel zal verder worden ingegaan op deze techniek en het optimaliseren ervan.

Tekst: Jeroen Schröer (Wijbenga)

 

Bij persgasontdooien zal de verdamper, die normaal gesproken de functie heeft om vloeibaar koudemiddel te verdampen, worden gebruikt om persgas te condenseren. De warmte die hierbij vrijkomt, wordt gebruikt om het ijs op de verdamper te smelten. Het benodigde persgas zal in de meeste gevallen van een compressor afkomstig zijn, maar kan ook middels een persgenerator zijn opgewekt. Het gevormde condensaat moet weer worden afgevoerd om het proces op gang te houden. Met name de afvoer van dit condensaat is essentieel, en hier ontstaan de grootste verschillen tussen de systemen.

 

Enkelvoudige systemen
In eenvoudige installaties kan gebruik worden gemaakt van een mechanisch werkende vierweg-omkeerklep (zie figuur 1, bovenaan). Dit ventiel keert de koelcyclus om, waardoor de verdamper als condensor gaat werken en de condensor als verdamper. Met name in warmtepompen waarbij de verdamper buiten staat en bij koud weer kan aanvriezen, is dit een veel gebruikte methode om de verdamper te ontdooien.

Centrale systemen
Bij centrale systemen met meerdere verdampers wordt het persgas door middel van een extra leiding vanaf de compressor(s) naar de verdamper gevoerd. Van de verdamper die aan de beurt is in de ontdooicyclus zal eerst de vloeistoftoevoer worden gestopt en het restant van het vloeibare koudemiddel zoveel mogelijk worden verdampt. Dit wordt ook wel pumpdown genoemd. Achtereenvolgens zal de ventilator worden gestopt, de zuigklep worden gesloten en de heetgasklep worden geopend.

Voorkomen van vloeistofslag
Om drukschokken (vloeistofslag) te voorkomen, wordt aanbevolen gebruik te maken van tweetraps- of motorgestuurde ventielen waarmee de heetgastoevoer langzaam kan worden verhoogd. Bij luchtgekoelde verdampers zal ter voorkoming van ijsvorming in de lekbak het heetgas eerst door een circuit in deze bak worden gevoerd voordat het naar het verdamperblok gaat. Om te voorkomen dat in de koelfase vloeibaar koudemiddel in de lekbakspiraal kan komen, wordt een terugslagklep tussen de verdamper en lekbakspiraal geplaatst (figuur 2).

‘Latente warmte’
Om de toevoer van heetgas te garanderen, moet een compressor ingeschakeld blijven, desnoods door koudevraag op de een of andere manier te forceren. Voor een veilige en constante ontdooiing moet de druk van het hete gas zo laag mogelijk zijn, maar tegelijkertijd nog steeds voldoende warmte leveren om het ijs te smelten. Het grootste deel van de warmte die nodig is om het ijs te smelten, is afkomstig van ‘latente warmte’ (condensatie) en niet zozeer van de temperatuur van het hete gas (desuperheating).

Afvoer van condensaat
Het condensaat dat tijdens het ontdooien wordt gevormd, moet worden afgevoerd. Bij centrale systemen werkend met directe expansie moet dit via een overstortventiel (intrededrukregeling) teruggevoerd worden naar een centrale vloeistofleiding of vloeistofvat, waarbij aandacht moet worden besteed aan het waarborgen van voldoende drukverschil tussen persdruk en de druk in het
vloeistofvat.

Vlotterregeling versus overstortregeling
Bij pompsystemen wordt het condensaat naar de natretourleiding of lagedrukafscheider teruggevoerd. Dit kan middels een overstortventiel, maar de condensaatafvoer kan ook met een vlotterregeling worden uitgevoerd. Qua snelheid en hoeveelheid ontdooide rijp/ijs zijn er aanvankelijk geen verschillen. Beide methoden bereiken het doel, namelijk het veilig ontdooien van ijs op de oppervlakken van de verdamper, in een vergelijkbaar tijdsbestek.

Intrededrukregeling: ook doorstroom van gas
Wat de energie-efficiëntie betreft, vertonen de twee methoden echter significante verschillen. Bij een intrededrukregeling wordt alleen op een druk geregeld, met als nadeel dat deze regeling niet alleen condensaat maar ook gas door laat stromen. De massastroom heet gas die in de verdamper stroomt blijkt bij deze regeling vrijwel constant te zijn. Naarmate de ontdooifase verder vordert, zal minder koudemiddel condenseren en wordt er steeds meer gas via het overstortventiel doorgelaten naar de lagedrukzijde van de installatie. Dit gas moet weer door de compressor worden afgevoerd en dat leidt tot een hoger energiegebruik van de installatie.

Vlotterregeling: alleen condensaat
Met een vlotterregeling wordt gedurende de gehele ontdooicyclus (bijna) alleen condensaat teruggevoerd. De massastroom heet gas die in de verdamper stroomt blijkt bij een vlotterregeling in de loop van het ontdooiproces steeds verder af te nemen. De hoeveelheid heet gas die nodig is om ijs te smelten, wordt dus automatisch geregeld tot de laagst vereiste waarde en de compressor hoeft geen extra arbeid te verrichten om een overmaat aan gas weer opnieuw te comprimeren. Het aandeel ongebruikt heet gas dat met een vlotterregeling kan worden bespaard tijdens het ontdooiproces bedraagt 15 tot 25%, afhankelijk van de
ontdooitijd [1].

Invloed van de condensatietemperatuur
De duur van de ontdooiing is onder andere afhankelijk van de condensatietemperatuur, maar de invloed ervan wordt vaak overschat. Vooral bij temperaturen boven 15 °C kan slechts een geringe besparing worden bereikt. Naast het hogere energiegebruik leidt een te hoge condensatietemperatuur tot ongewenste vorming van waterdamp in de koelruimte. Als gevolg daarvan bevriezen de verdampers sneller en moeten ze juist vaker worden ontdooid. Hoe lager de ontdooitemperatuur, hoe hoger de energie-efficiëntie en hoe lager de belasting in de koelruimte door dampvorming. Het optimum ligt doorgaans rond de 10 °C.

Druk in de verdamper
Na het ontdooien moet de druk in de verdamper weer langzaam (in fasen) worden teruggebracht tot de verdampingsdruk. Hiertoe wordt een klein stuurventiel (magneetventiel voor egalisatie) dat parallel aan het grotere hoofdventiel is geïnstalleerd, geopend. Het is ook mogelijk hiervoor een tweetrapsventiel (Danfoss PMLX, Hansen HCK5-D) of motorgestuurd ventiel te gebruiken. De langzame opening voorkomt drukstoten die de resterende vloeistof abrupt zouden kunnen versnellen en gevaarlijke situaties kunnen opleveren. Het voorkomt ook dat een grotere hoeveelheid damp wordt gegenereerd aan de lagedrukzijde van het systeem, wat zou resulteren in een plotselinge belasting van de compressor.

Koeling hervatten
Na de egalisatie kan de vloeistofklep van de verdamper weer worden geopend, zodat de verdamper weer met koud vloeibaar koudemiddel wordt gevuld. De ventilatoren worden niet onmiddellijk gestart. Door de snelle temperatuurdaling in de verdamper bevriezen de waterdruppels die na het ontdooien op het oppervlak van de lamellen zijn achtergebleven en wordt voorkomen dat ze in de koude ruimte worden geblazen. Na de aanvriesfase worden de ventilatoren weer ingeschakeld en kan de koeling worden hervat.

[1] Densk Energi ELFORSK. (2015-2018). Optimization of hot gas defrost in
industrial refrigeration systems. Lyngby Denmark: IPU.