Zo werkt het! 
Het ontwerp van indirecte systemen
Om de koudemiddelinhoud in systemen te minimaliseren en een veilige werkomgeving te creëren, wordt vaak gekozen voor een indirect systeem. Het goed ontwerpen van indirecte koel- en verwarmingssystemen is een vak op zich. Jeroen Schröer van Wijbenga geeft uitleg.
Tekst: Jeroen Schröer
Openingsbeeld: Waterpomp.
Behalve voor het creëren van een veilig omgeving en het minimaliseren van de koudemiddelinhoud, zorgen ook de wens zoveel mogelijk warmte terug te winnen en de toename van het aantal (industriële) warmtepompen ervoor dat koeltechnische ontwerpers en monteurs steeds vaker met glycol- en watersystemen krijgen te maken. Voor een goed ontwerp van zo’n indirect systeem is de juiste combinatie van debiet en druk- en temperatuurverschil cruciaal. De nauwkeurige selectie van componenten en een goed hydraulisch ontwerp zijn de sleutels tot succes.
Zo werkt het!
We willen allemaal de beste installatie bouwen. Om dat te bereiken, is het belangrijk dat we kennis delen. Het team van Wijbenga schrijft daarom elke maand over een specifiek koeltechnisch onderwerp. Deze maand gaat Jeroen Schröer in op het bepalen van de koudemiddelvulling.
Pompcurve (Bron Eriks).
Efficiëntie en debiet
In de meeste gevallen zal voor het verpompen van koude- of warmtedragers als water en glycol een centrifugaalpomp worden gekozen. Efficiëntie en debiet spelen een belangrijke rol bij de keuze van de pomp. De prestaties van een pomp worden weergegeven in de pompcurve die de relatie tussen debiet en opvoerhoogte toont. Voor het selecteren van de juiste pomp is het van belang de systeemkarakteristiek te kennen. Deze karakteristiek geeft het verband aan tussen het debiet door – en het drukverschil in – het systeem (statisch en dynamisch).
Werkpunt van de pomp
Het snijpunt tussen systeemkarakteristiek en pompcurve is het werkpunt van de pomp. Door de verandering van de capaciteit tijdens het bedrijf verandert ook het bedrijfspunt voortdurend. Het is van belang dat het werkpunt altijd binnen het toepassingsgebied van de pomp blijft vallen. Als het werkpunt te ver naast de pompcurve ligt, ontstaat een verkeerde belasting met een verkorte levensduur en verhoogd energiegebruik als gevolg. De meeste pompen kunnen slecht tegen cavitatie (imploderende dampbellen) en drooglopen.
Primair systeem
Steeds vaker zien we systemen die koeling en verwarming combineren. In het primaire systeem zal de warmte en/of koude worden opgewekt. Dit gebeurt meestal door middel van een warmtewisselaar die het secundaire medium koelt of opwarmt. Debiet, drukverschil, temperatuurverschil en stromingsrichting hebben direct invloed op de prestatie van de warmtewisselaar en dienen als ontwerpcriteria te worden meegenomen. Bij toepassingen in de koudetechniek zal de pomp meestal voor de warmtewisselaar worden geplaatst. Hierdoor zal de systeemdruk in de warmtewisselaar altijd positief zijn en kan geen cavitatie in de warmtewisselaar optreden. Dit voorkomt slijtage en komt de warmteoverdracht ten goede. Om de pompdruk contant te houden, kan worden gekozen voor toepassing van een frequentieregelaar.
Verdeling van het secundaire medium
Wanneer meerdere warmtewisselaars parallel worden gebruikt, moet aandacht uitgaan naar een goede verdeling van het secundaire medium, zodat alle wisselaars gelijkmatig worden belast. Een leidraad is hierbij om te ontwerpen volgens het Tichelmann-principe. Dit principe berust op een gelijke weerstand van alle geschakelde elementen in een flowcircuit. De lengte en diameter van leidingen speelt hierin een grote rol. Het voordeel van een Tichelmann-systeem is dat zonder tussenkomst van al te veel regelapparatuur en componenten een goed verdeelsysteem kan worden gemaakt. Een nadeel is dat in sommige situaties meer leidingwerk nodig is.
Buffertank en expansievat
Buffervaten kunnen de capaciteitsvariaties aan de productie- en gebruikerskant in evenwicht brengen. Ze kunnen parallel, in de aanvoer of in de retourleiding van de warmte- of koudeproductie worden geplaatst. Parallel geplaatste buffervaten kunnen functioneren als capaciteitsaccumulator, waarbij ook scheiding van temperaturen door gelaagdheid kan plaatsvinden. De grootte van de buffertank hangt onder andere samen met de benodigde warmte- of koudeopslag en de beschikbare opstellingsplaats. Het water- of glycolsysteem moet op een constante druk worden gehouden, door temperatuurschommelingen kan de druk gaan variëren. Om dit te voorkomen, moet gebruik worden gemaakt van een expansievat. Voor kleine systemen volstaan gesloten expansievaten met een gasvulling (meestal stikstof), voor grote systemen zijn compressor- of pompgestuurde expansie-automaten aan te bevelen.
Buffervaten kunnen de capaciteitsvariaties aan de productie- en gebruikerskant in evenwicht brengen
Keuze van leidingwerk
De keuze van het leidingmateriaal is uiteraard essentieel. Roestvrijstaal is meestal een veilige, maar dure keuze. Koolstofstaal kan in combinatie met zuurstof leiden tot corrosieproducten die het systeem vervuilen. Bij toepassen van verschillende materialen moet aandacht worden besteed aan galvanische corrosie (corrosie door potentiaalverschil tussen twee metalen). Kunststof is een relatief goedkope oplossing maar moet wel geschikt zijn voor het toegepaste medium, de temperatuur en de druk. Het leidingwerk dient zo te worden ontworpen dat eenvoudig en op de juiste plaatsen kan worden ontlucht en afgetapt. Meer hierover is te lezen in een eerder artikel in de serie Zo werkt het!. Lucht kan aanwezig zijn in de vorm van (micro)belletjes, maar kan ook opgelost zijn in het water of glycolmengsel. De gevolgen van lucht in een systeem kunnen zeer ernstig zijn.
Snelheid in het leidingwerk
Wrijvingsweerstand in het leidingwerk leidt tot drukverlies en meer pomparbeid. De snelheid moet zo worden gekozen dat de weerstand in het systeem acceptabel is. In het algemeen wordt een snelheid tussen 1 en 2 m/s aangehouden. Bochten, verloop en T-stukken moeten met de juiste onderlinge afstand tot de appendages worden aangelegd en mogen zo min mogelijk turbulentie of drukverschil veroorzaken. Omdat het leidingmateriaal kan uitzetten en krimpen als gevolg van wisselende temperaturen moet het leidingnet hier tegen bestand zijn en moet eventueel in expansiebochten worden voorzien.
Soorten regelingen.
Voorbeeld van een constante-flowregelaar.
Regeling
In de meeste gevallen zal de afname van warmte of koude niet constant zijn. Het gevolg daarvan is dat de aanvoerdruk en temperatuur gaan fluctueren. Om de condities toch stabiel te houden, moet gebruik worden gemaakt van regelappendages. De meest simpele regeling is aan/uit, al dan niet in combinatie met een vooraf ingestelde inregelafsluiter (smoorregeling). Meer geavanceerd is een regeling waarbij gebruikgemaakt wordt van dynamische stromingsregelaars. Deze zorgen voor een constant debiet naar de gebruiker en elimineert de fluctuaties in druk uit het centrale systeem. De meest geavanceerde regeling kent twee- of driewegregelventielen en een circulatiepomp. Hiermee kan niet alleen de flow constant worden gehouden, maar ook invloed worden uitgeoefend op de in- en uittredetemperaturen van de warmte- of koudedrager.
De koeltechnische ontwerpers en technici zijn anno 2020 niet alleen experts op het gebied van koudetechniek, ze worden ook vaker betrokken bij warmtesystemen. Door goed gebruik te maken van de kennis en expertise uit die sector ontstaan nieuwe inzichten en kansen.