Onderkoeling en oververhitting zo werkt het!
Onderkoeling en oververhitting, misschien zijn het wel de belangrijkste termen in de koudetechniek. Gert van Bergen van Wijbenga legt uit wat het belang ervan is en wijst op een aantal aandachtspunten.
Het woordenboek noch Wikipedia verklaart onderkoeling en oververhitting op de manier waarop ze in ons vak bekend zijn. Hoe zit het ook alweer? Onderkoeling treedt op als een koudemiddelvloeistof op verzadigingstemperatuur en bijbehorende verzadigingsdruk verder afkoelt bij gelijkblijvende druk. Onderkoeling treedt ook op als de temperatuur gelijk blijft maar de druk hoger wordt, bijvoorbeeld in een vloeistofkolom of in de leiding na een koudemiddelpomp. Oververhitting treedt op wanneer een koudemiddel in de gasfase op verzadigingstemperatuur verder verwarmd wordt bij gelijkblijvende druk.
Oververhitting
Oververhitting van het zuiggas voorkomt dat er nog vloeistof aanwezig is in het door de compressor aangezogen gas (het zogenaamde ‘nat draaien’). Het ‘nat draaien’ veroorzaakt bij de gangbare compressoren in de koudetechniek overmatige slijtage en/of ernstige defecten. Oververhitting kan echter ook nadelig zijn voor het systeem; het aangezogen volume wordt immers groter en dezelfde compressor kan minder kg’s verpompen. Bovendien zal de persgastemperatuur hoger worden.
Figuur 1: Oververhitting en onderkoeling in het log P-h diagram (klik op het beeld voor een grotere versie).
Verschillen tussen DX en pompsystemen
Bij zuiggasoververhitting zijn er een aantal kenmerkende verschillen tussen directe-expansie-systemen (verder DX genoemd) en pompsystemen:
• In een DX-systeem wordt oververhitting gecreëerd door een deel van de verdamper te gebruiken om het verdampte koudemiddel verder te verwarmen tot enkele graden boven het verzadigingspunt. Een te grote oververhitting is nadelig voor het systeemrendement, maar een te kleine oververhitting geeft onvoldoende zekerheid over het volledig verdampt zijn van het koudemiddel.
• In een pompsysteem wordt gebruikgemaakt van overmaatse vloeistoftoevoer, op het einde van de verdamper zal niet alle vloeistof verdampt zijn. De vloeistofafscheider scheidt de vloeistof van het gas, en het gas wordt op verzadigingstemperatuur door de compressor aangezogen. De zuiggastemperatuur zal hierdoor lager zijn dan bij een DX-systeem en vaak zelfs gelijk zijn aan de verzadigingstemperatuur.
• In een pompsysteem is oververhitting in de verdamper niet nodig. Hierdoor kan het temperatuurverschil tussen het koudemiddel en het te koelen medium kleiner zijn dan bij een DX-systeem.
• In een pompsysteem is oververhitting van het zuiggas na het afscheidervat soms wel vereist, afhankelijk van de compressorfabrikant en het soort koudemiddel.
Indicatie van de werking van de installatie
Oververhitting is het verschil tussen de persgastemperatuur en de condensatietemperatuur. De persgastemperatuur is mede een goede indicatie van de werking van de installatie; is hij veel lager dan verwacht, dan kan dit onder andere het gevolg zijn van het ‘nat draaien’. Een abnormaal hoge persgastemperatuur kan wijzen op een te grote zuiggasoververhitting, een te groot drukverschil over de compressor, of – bij een zuigercompressor – op (een) niet afsluitende persklep(pen).
Onderkoeling
Onderkoeling zou bij een ideaal werkende condensor niet aanwezig mogen zijn. In de regel is het gunstiger het condensoroppervlak te gebruiken om de condensatiedruk te verlagen dan om onderkoeling te creëren. Vaak is onderkoeling het gevolg van een slecht vloeistof-afvoerende condensor en leidingwerk, of van de aanwezigheid van niet-condenseerbare gassen. Het meten van eventuele onderkoeling om te beoordelen of een installatie goed werkt is onontbeerlijk. Het is aan te bevelen de onderkoeling te monitoren met een continue temperatuurmeting in het besturingssysteem.
Figuur 2: Onderkoeling in de condensor. klik voor vergroten
Onderkoeling als indicatie van vulling
Overigens zal in systemen met een vlotter met ontgassing wellicht geen onderkoeling meetbaar zijn terwijl er toch niet-condenseerbaar gas in het systeem kan zitten. Dit gas kan immers circuleren door de ontgassing.
De onderkoeling meten is bij een systeem met capillaire inspuiting of een DX-systeem zonder vloeistofvoorraadvat een handige manier om de vulling te controleren. Als de oververhitting goed is en er iets aan onderkoeling is, dan is het systeem goed gevuld. Is er veel onderkoeling, dan is het systeem overvuld.
Voorkomen van flash-ga
Onderkoeling kan ook flashgas voorkomen. De vloeistof uit de condensor is op verzadigingsdruk en -temperatuur. In systemen met lange vloeistofleidingen kan als gevolg van de drukval de vloeistof beginnen te koken. De temperatuur van het koudemiddel is niet veranderd, maar de druk ervan is wel verlaagd. Dit fenomeen wordt flash-gas genoemd. Door het grotere volume van gas ten opzichte van vloeistof moet het expansieorgaan verder openen. De hoeveelheid flash-gas is vaak veranderlijk, waardoor het ook nog eens lastig is om het expansieorgaan stabiel te krijgen is. Door de vloeistof voldoende te onderkoelen zal er ondanks de drukval geen flash-gas ontstaan.
Verbetering van COP
Onderkoeling kan ook soelaas brengen wanneer flash-gas veroorzaakt wordt door het veranderen van de condensatiedruk. Bijvoorbeeld wanneer een condensorventilator inschakelt en de condensatiedruk verlaagd wordt, blijft de temperatuur van de aanwezige vloeistof nog na-ijlen op de eerdere verzadigingstemperatuur. Hierdoor zal de vloeistof in de vloeistofleiding of het vloeistofvat beginnen te koken.
Onderkoeling door het zuiggas in een warmtewisselaar te oververhitten en zo de vloeistof te onderkoelen kan bij sommige koudemiddelen en in bepaalde condities de COP verbeteren, maar dit moet per geval worden bekeken.
Net positive suction head
De zogenaamde NPSH (net positive suction head) bij vloeistofpompen in een pompsysteem is ook een vorm van onderkoeling. De vloeistof zal overal in de afscheider vrijwel dezelfde temperatuur hebben, maar door de vloeistofkolom is de druk voor de pomp hoger dan de verdampingsdruk. Deze onderkoeling voorkomt dat gas de pomp in kan stromen. Als de vloeistof alsnog gaat koken, is de oorzaak vaak een plots dalende zuigdruk, bijvoorbeeld door het inschakelen van een compressor.
