RCC totaal lowres voorjaarsnummer

DEELLASTWERKING
RCC Koude & luchtbehandeling
Door Dieter Note
Universiteit Gent, België
Regeling van vollastnaar
deellastwerking bij
een koelmachine
Aangezien de koellast van een gebouw sterk varieert in de tijd, komt het zelden voor dat een koudwatercentrale
op vol vermogen koelt. De variatie van de koellast wordt enerzijds veroorzaakt door het variëren van de interne
lasten en de omgevingstemperaturen, anderzijds wordt tijdens het ontwerp het benodigde koelvermogen van
de koudwatercentrale meestal overschat omdat men de interne lasten van het te koelen gebouw niet goed kent.
Hierdoor worden de meeste gebouwen uitgerust met een overgedimensioneerde koudwatercentrale die al dan
niet uit meerdere koelmachines bestaat; deze koudwatercentrale zal bijgevolg meestal in deellastregime werken.
In tegenstelling tot wat zou worden
vermoed, betekent werking
van een koudwatercentrale in
deellastregime niet noodzakelijk
een daling in efficiëntie; dit is
ook te zien in figuren 1 en 2. Bij
deellastwerking wordt het massadebiet
koudemiddel verminderd,
waardoor de warmtewisselaars
efficiënter gaan werken.
Aangezien deellastwerking van
een koelmachine dikwijls plaats
vindt bij lagere buitentemperaturen,
kan ook de drukverhouding
over de compressor verminderen
waardoor de compressor minder
vermogen opneemt.
Figuur 1: De efficiëntie van verschillende
geteste watergekoelde
koudwatermachines in functie
van de PLR.
Figuur 2: De efficiëntie van verschillende
geteste luchtgekoelde
koudwatermachines in functie
van de PLR.
Deellastwerking
Het geleverde koelvermogen van de
koelmachine wordt verlaagd door
het koudemiddeldebiet te verminderen.
Lager koudemiddeldebiet
kan echter op verschillende manieren
worden verwezenlijkt. Een
aantal daarvan wordt beschouwd,
de meeste van deze opties werden
onderzocht door P. Rivière. Met een
koudemiddelcircuit wordt het geheel
van verdamper, compressor, condensor
en expansieventiel bedoeld.
a. Koelmachines met één compressor
werkend met aan/uit-regeling
Door de compressor met een aan/uitregeling
te bedrijven, zal het debiet van
het koudemiddel, tijdsgemiddeld gezien,
gedaald zijn ten opzichte van de
werking in vollastregime; de koelmachine
werkt in deellast. Door de compressor
niet continu te laten werken,
treden er wel verschillende verliezen
op. Zo treedt er bij het opstarten van
de compressor gedurende een zeer
korte tijd (~20 ms) een stroomstoot op.
De invloed van deze stroomstoot op
de prestatie van de machine is echter
verwaarloosbaar.
Het belangrijkste verlies tijdens het
aan/uit-regeling wordt veroorzaakt
door de warmte-uitwisseling van het
koudemiddel met de omgeving. Als de
Figuur 1 Figuur 2
22 VOORJAARS NUMMER 2011 104e JAARGANG

DEELLASTWERKING
Koude & luchtbehandeling RCC
koelmachine gedurende een lange tijd
uitgeschakeld is, zal het koudemiddel
in de condensor en de verdamper op
dezelfde temperatuur staan omdat de
condensor en verdamper in verbinding
staan met elkaar via de stilstaande
compressor. Aangezien de drukken
naar eenzelfde eindwaarde evolueren,
doen de temperaturen dit ook. Bij het
opnieuw opstarten van de koelmachine
zal er eerst elektrisch vermogen opgenomen
worden om de drukken en
de temperaturen in de condensor en
verdamper van de koelmachine weer
in hun originele staat te krijgen. Er
wordt dus elektriciteit gebruikt zonder
dat de koelmachine koelvermogen levert,
dit geeft een negatieve invloed op
het rendement van de koelmachine.
Dit kan vertraagd worden door samen
met de compressor ook de ventilatoren
af te schakelen. Hierdoor zullen de
temperatuur en druk in de condensor
langer op hun respectievelijke hoge
waarde blijven. Er kan eventueel ook
voor geopteerd worden om terugslagkleppen
in het koudemiddelcircuit te
voorzien. Nog steeds wordt opgemerkt
dat deze nadelige werking van de koelmachine
bij het opstarten een tegenhanger
heeft bij het uitschakelen. Bij
het uitzetten van de compressor blijft
er immers een temperatuursverschil
bestaan tussen het koudemiddel en
het gekoelde water in de verdamper.
Hierdoor wordt er nog gekoeld zonder
dat er elektrisch vermogen wordt
opgenomen.
b. Koelmachines met meerdere compressoren
in één koudemiddelcircuit
Indien het koudemiddelcircuit in de
koelmachine bijvoorbeeld over twee
compressoren beschikt, kan bij deellast
één compressor uitgeschakeld worden
om het koudemiddeldebiet te verminderen.
Indien het gekoelde water- en
het luchtdebiet constant worden
gehouden, neemt de efficiëntie van
de machine 10 tot 18 procent toe. Dit is
te zien in figuur 3 (de winst in efficientie
wordt door de lichtgele balkjes
getoond). De winst in efficiëntie wordt
enerzijds veroorzaakt door een licht
dalen van de drukverhouding over de
compressor en anderzijds door het
efficiënter werken van de warmtewisselaars.
Figuur 3: Analyse van de prestaties
van een koelmachine bij verschillende
temperaturen en één compressor
van de twee uitgeschakeld
in elk koudemiddelcircuit.
c. Koelmachines met meerdere koudemiddelcircuits
De index A13E12 wijst op een omgevingstemperatuur
van 13°C en op
een koelwatertemperatuur van 12°C.
De andere indices in de figuur zijn
op analoge wijze opgebouwd. Indien
een koelmachine over meerdere
koudemiddelcircuits beschikt, kan er
tijdens deellastwerking voor worden
gekozen enkele circuits uit te schakelen
en de andere circuits op vol
vermogen te laten werken. Dit verandert
in principe relatief weinig aan
de efficiëntie van de koelmachine,
maar het koudemiddeldebiet door de
gehele machine zal gedaald zijn ten
opzichte van vollastbedrijf.
d. Koelmachines met (een)
schroefcompressor(en) en regelschuif
Bij koelmachines met (een)
schroefcompressor(en) kan het
debiet verlaagd worden door een
regelschuif, de ‘slide stop’, aan te
sturen. Door het aansturen van deze
‘slide stop’ kan er voor worden gekozen
om een welbepaald deel van
het aangezogen koudemiddeldebiet
te recirculeren naar de aanzuigopening
(figuur 4). De recirculatie vindt
plaats voor het begin van de compressie
om compressieverliezen te
vermijden.
Als de mannelijke en vrouwelijke
schroef zich sluiten na de positie van
de ‘slide stop’, wordt het resterende
debiet gecomprimeerd. Dit is ook
te zien in figuur 5; het rode gebied
Figuur 3 Figuur 4
104e JAARGANG VOORJAARS NUMMER 2011
23

DEELLASTWERKING
RCC Koude & luchtbehandeling
in deze figuur duidt op compressie.
In figuur 5 is ook een tweede regelschuif
te zien: de ‘capacity slide’. Deze
tweede regelschuif wordt gebruikt om
de volumeverhouding van de compressor
te regelen. Door deze schuif te
verschuiven verschuift de radiale uitlaatpoort
en dus het eindpunt van de
compressie. Aangezien een schroefcompressor
een volumetrische machine
is, wordt door de positie van de
‘capacity slide’ de einddruk geregeld.
Als dit niet zou worden gedaan, dan
kunnen driehoeksverliezen worden
gekregen (figuur 6).
Figuur 4 en 5: Capaciteitsregeling
van een schroefcompressor met
behulp van een regelschuif (‘slide
stop’).
Driehoeksverliezen ontstaan door
een uitlaatdruk die ofwel hoger ofwel
lager is dan de condensordruk. Als de
uitlaatdruk hoger is dan de condensordruk
is er te veel arbeid geleverd
door de compressor; het gas afkomstig
van de compressor zal immers
naar de lagere condensordruk
expanderen. Als de uitlaatdruk lager
is dan de condensordruk zal er gas
uit de condensor terugstromen naar
de compressor zodra de uitlaatpoort
opent. De compressor moet dit extra
gas ook comprimeren tot de condensordruk
bereikt is en het gas uit
de compressor stroomt.
Figuur 6: Driehoeksverliezen bij
een schroefcompressor.
e. Koelmachines met frequentieregeling
De toerenregeling van bijvoorbeeld
de compressor(en) in een
koelmachine is afgaand op vorige
beschouwingen een volgende logische
stap om een koelmachine in
deellast te bedrijven. Hedendaags
worden bijna alle toerenregelingen
uitgevoerd als frequentieregelingen.
In een koelmachine kan men
een frequentieregeling aanbrengen
op de koelwaterpomp(en),
op de compressor(en) en op
de ventilator(en). De werkingskost
van de koelmachine daalt
20 tot 50 procent bij het aanbrengen
van een frequentieregeling
op de koelwaterpomp(en),
op de compressor(en) en op de
ventilator(en). Men kan er hier eventueel
voor kiezen om slechts één
pomp, compressor of ventilator te
voorzien van een frequentieregeling.
De frequentiegeregelde machine
zorgt dan voor de fijnregeling van
het koelvermogen. Als het gevraagde
koelvermogen het maximaal leverbare
koelvermogen van de frequentiegeregelde
machine overstijgt,
schakelt er een andere machine
op maximaal koelvermogen bij. De
frequentiegeregelde machine zal dan
bijregelen tot het gevraagde koelvermogen
gelijk wordt aan het geleverde
koelvermogen.
Uit:
VERGELIJKENDE STUDIE VAN KOEL-
MACHINES IN DEELLASTWERKING
Proefschrift ingediend door Dieter Note
voor het behalen van de academische
graad van Burgerlijk werktuigkundigelektrotechnisch
ingenieur.
Vakgroep Mechanica van stroming,
warmte en verbranding
Faculteit Ingenieurswetenschappen,
Universiteit Gent
Academiejaar 2007-2008
Figuur 5 Figuur 6
24 VOORJAARS NUMMER 2011 104e JAARGANG