Transcript Klik hier voor het complete artikel in PDF formaat

COMPRESSOR
RCC Koude & luchtbehandeling
Tekst: Dr. Norbert Kämmer
Nieuwe koudemiddelen voor warmtepomptoepassing:
Ontwikkeling van compressoren
Onder invloed van de nieuwe Europese regelgeving worden ook in warmtepompen nieuwe koudemiddelen toegepast. De vraag is dan, of compressoren
opnieuw moeten worden ontworpen of kunnen worden aangepast aan het
efficiënt gebruik van deze nieuwe koudemiddelen.
A
fbeelding 1 geeft een goed
overzicht van de momenteel
gebruikte koudemiddelen en
de alternatieve nieuwe koudemiddelen. De x-as geeft de Global
Warming Potential (GWP-waarde)
aan, terwijl de y-as de druk en het
koel- of verwarmingsvermogen
toont. Daarnaast worden specifieke
toepassingen van deze koudemiddelen gegeven. Helemaal rechts zien
we het meest gebruikte koudemiddel R410A met een GWP-waarde van
2088 en we noemen de zogenaamde overgangskoudemiddelen R407F
en R407 met een GWP-waarde
tussen 1500 en 2000. Al deze
koudemiddelen zijn klasse A1
koudemiddelen, wat betekent dat ze
niet brandbaar zijn.
Als we naar een lagere GWP-waarde gaan, komen we in het gebied
van de brandbare koudemiddelen,
ofwel categorie A2L of A3. CO2 met
een GWP-waarde van 1 is een
uitzondering in de groep van meest
interessante koudemiddelen in dit
gebied, omdat CO2 niet brandbaar
is, terwijl R32 met een GWP-waarde
Afbeelding 1: Overzicht van koudemiddelen.
32
APRIL 2014 107 e JAARGANG
van 675 wel brandbaar is, net als
veel van de lagedruk koudemiddelmengsels die gebaseerd zijn op de
HFO-moleculen, zoals R1234yf en
R1234ze. Koudemiddelenfabrikanten trachten mengsels op basis van
deze twee HFO-alternatieven te
ontwikkelen om het thermodynamisch gedrag van traditionele
koudemiddelen als R404A te
simuleren. In dit artikel zullen we
ons vooral concentreren op de
alternatieven R32, R290, R1234yf,
R1234ze evenals op L41 dat een
mengsel is van een HFO en andere
componenten.
Benchmarkt
Wanneer we spreken over de
toekomstige compressortechnologie is het noodzakelijk om de juiste
benchmarkt te gebruiken. Afbeelding 2 toont een overzicht van de
markt van warmtepompcompressoren, ingedeeld naar compressortechnologie, koudemiddel en
aandrijftechniek.
De overgrote
meerderheid van
de compressoren
die op dit moment in warmtepompen worden toegepast zijn scrollcompressoren, hoewel er ook
enkele zuigercompressoren en
roterende compressoren worden
ingezet. Scrollcompressoren zijn
echter de standaard voor warmtepompen. Ten aanzien van de
koudemiddelen is de markt vrijwel
gelijk verdeeld tussen R410A en
R407C, met een relatief klein deel
voor R134a. R410A is de afgelopen
jaren zoveel toegepast en heeft
daardoor zoveel invloed gekregen
dat het is uitgegroeid tot een
benchmarkt. Het is daardoor
representatief om gebaseerd op dit
koudemiddel een toekomstvisie te
ontwikkelen.
Als het gaat om de aandrijftechnologie, worden voor een groot deel
nog steeds motoren met een vast of
continu toerental gebruikt. Motoren
met een variabel toerental hebben
echter ook een flink aandeel, dat
substantieel groeit door de toepassing in lucht/water-warmtepompen. Voor water/water-warmtepompen worden compressoren met
vast of continu toerental nog steeds
toegepast. Gezien het marktpoten-
Afbeelding 2: Overzicht van de compressormarkt voor warmtepompen, ingedeeld naar compressortechnologie, koudemiddel en aandrijftechniek.
COMPRESSOR
Koude & luchtbehandeling RCC
tieel voor nieuwe warmtepompinstallaties zullen we in dit artikel
ingaan op motoren met variabel
toerental als de belangrijkste
technologie.
Ontwerpkenmerken
Afbeelding 3 geeft een overzicht
van de belangrijkste ontwerpkenmerken van compressoren voor
toepassing in warmtepompen. Ze
zijn gebaseerd op een verticaal
ontwerp met een standaard inductiemotor of een borstelloze permanente magneetmotor in het onderste gedeelte van de compressor. In
de scroll-elementen zijn bepaalde
componenten opgenomen, zoals
extra omloop of bypasskleppen of
terugslagkleppen voor het realiseren van goede prestaties bij hogeen lagedrukverhoudingen. Dit is
een randvoorwaarde voor een
goede seizoensgebonden SCOP
(seizoensgebonden prestatiecoëfficiënt met hernieuwbare energie of
Seizoensgebonden Coëfficiënt of
Performance). Wanneer motoren
met variabel toerental worden
gebruikt, is het noodzakelijk dat een
oliepomp er voor zorgt dat olie uit
het carter van de compressor aan
de scroll-elementen en de lagers
wordt toegevoerd. Vaak is een extra
aansluiting in de behuizing nodig
om het geïnjecteerde gas naar de
scroll–elementen te voeren.
Genoemde kenmerken zijn van
belang om een hoog gemiddelde of
efficiëntie of COP voor de compressoren te realiseren. Dat is zeer
belangrijk als het gaat om de
bedrijfsomstandigheden waaronder
warmtepompen moeten functioneren. Deze bedijfsomstandigheden
zijn van groot belang als ze worden
gebruikt bij de toepassing lucht/
water.
Bedrijfsomstandigheden
Afbeelding 4 toont het specifieke
werkgebied met een begrenzing
van de compressorwerkcondities,
die gerelateerd is aan de stabiele
werking van de scrolls, de elektromotor en de condensatietemperatuur die afhankelijk is van de
druksterkte van de behuizing. Drie
mogelijk voorkomende condities
worden getoond. De eerste komt
overeen met een typische vraag om
vloerverwarming (geel) en de
tweede voor de radiatorverwarming
(rood). De derde lijn (groen) toont
de vraag om sanitair warm water bij
een constante condensatietemperatuur van ongeveer 65°C. In de
linker bovenhoek zien we dat de
temperatuur is overschreden en dat
de compressor in dit gebied alleen
werkt met dampinjectie en dan met
name met natte dampinjectie.
Veldtest
Tijdens een recente veldtest kregen
we de kans om te zien hoe deze
compressoren zich in de praktijk
manifesteerden. Afbeelding 5 toont
het resultaat van de R410A-compressor met variabel toerental
toegepast voor radiatorverwarming
in een woning in Duitsland. Het
Afbeelding 3: Voornaamste ontwerpkenmerken van compressoren
voor warmtepomptoepassingen.
bovenste gedeelte van de rechter
afbeelding toont de bedrijfsuren
over ongeveer een half jaar en de
afmetingen van de bubbels geven
een indicatie van de draaitijd in het
werkgebied. Het is duidelijk dat de
compressor meestal werkt bij lage
condensatie- en verdampingstemperatuur en dat de compressor
nauwelijks werkt in het te verwachten werkgebied aan de linker
bovenkant. We zien dan ook dat de
compressor zeer zelden werkt op
het hoge toerental en dat de
compressor het merendeel van de
tijd werkt bij een relatief laag
toerental rond de 1800-2000 omw/
min. Dit geldt voor ongeveer de
helft van de levensduur van de
compressor.
De conclusie is dat het de ambitie
van de ontwerper van de compressor zou moeten zijn dat hij de
compressorefficiëntie in het gebied
waarin de compressor meestal
werkt zou moeten optimaliseren,
omdat technisch veeleisende
bedrijfscondities zelden gebruikt
worden door de compressor. Deze
kennis kan worden samengevat in
een aantal belangrijke aspecten van
het compressorontwerp die moeten
worden onderzocht voordat er over
een nieuw compressorontwerp
wordt nagedacht:
Ŕ Ten eerste moeten we het
optimaliseren van de COP van de
compressor definiëren. Is het een
nominaal COP of is het een
seizoensgebonden gemiddelde?
Afbeelding 4: Bedrijfsomstandigheden van een compressor voor
warmtepomptoepassingen.
107 e JAARGANG APRIL 2014
33
COMPRESSOR
RCC Koude & luchtbehandeling
Afbeelding 5: Resultaten veldtest van een compressor met variabel
toerental met R410A
Of willen we een compromis van
beide?
Ŕ Ten tweede moeten we bepalen
welk nominaal verwarmingsvermogen moet worden bereikt.
Betreft het een warmtepomp met
extra elektrische verwarming of
zonder ? Dit bepaalt wat het
maximale nominale verwarmingsvermogen moet zijn.
Ŕ Ten derde, gezien het feit dat we
bij variabel toerental een andere
parameter beschikbaar hebben,
moet het toerentalbereik en het
bijbehorende scrollontwerp
worden afgestemd. Als het om
het toerental gaat, is het belangrijk om te weten dat een hoog
toerental niet altijd een probleem
is. Lage toerentallen zijn eveneens uitdagend! Tegelijkertijd is
Afbeelding 6: Koudemiddelalternatieven.
het voor de scroll altijd een
uitdaging om vrij grote of juist
kleine scrolls te ontwerpen. Met
het oog op de bedrijfsomstandigheden is het belangrijk om te
weten of de compressor wordt
toegepast voor een warmtepomp
voor vloerverwarming of voor
radiatorverwarming. En of ook
warmwatervoorziening moet
worden gegenereerd.
Koudemiddelen
Afbeelding 6 toont een overzicht
van een aantal koudemiddelen in
relatie tot een aantal criteria. De
benchmarkt koudemiddelen R410A
en R407C zijn in de tabel opgenomen en ook de HFO-mix tussen
propaan of R290 tot L41. De getoonde criteria zijn GWP, drukken,
specifiek volumeRefrigerant Properties
Compressor
trische capaciteit,
Body design
en natuurlijk de
Pressure
Strength - built-in parts
veiligheidsklasse.
Internal tightness
Er is een relatief
Pressure ratio
Scroll design
arbitraire indeling
Chemical properties
Material compatibility
van de getallen in
Dimension scroll elements
Refrigerant volumetric
rood, geel en
Motor selection
capacity
Size
groen. Rood is
Scroll design
negatief ten
Isentropic exponent
Application limits
opzichte van de
Measure for discharge gas cooling
huidige uitgangsCompessor COP
Thermodynamic properties
punten, geel is
(density, cp, ...)
Gas Flow / Pressure losses
binnen een
Internal heat transfer
Convective properties
relatief acceptabel
Compressor COP
(viscosity, conductivity)
uitgangspunt en
Motor cooling
groen is positief.
Oil selection
Oil compatibility
Zo is het nu direct
Bearing design
duidelijk dat geen
van de genoemde
Afbeelding 7: Invloed van koudemiddeleigenschappen op het comkoudemiddelen
pressorontwerp.
34
APRIL 2014 107 e JAARGANG
een geheel gele of groen/gele lijn
heeft. Elk van deze genoemde
koudemiddelen hebben een aantal
rode velden die aangeven dat er aan
een aantal uitdagingen moet
worden gewerkt. Met andere
woorden, het is niet mogelijk om
alleen op grond van een dergelijke
vergelijking een optimaal koudemiddel te selecteren. Het is duidelijk
dat er een compromis moet worden
gevonden om aan al deze aspecten
zoveel mogelijk te kunnen voldoen.
koudemiddeleigenschappen
Afbeelding 7 laat zien hoe de
koudemiddeleigenschappen het
compressorontwerp beïnvloeden.
Het is duidelijk dat koudemiddelen
veel eigenschappen hebben en dat
veel ontwerpeigenschappen van de
compressor daardoor kunnen
worden beïnvloed.
De vraag rijst dan hoe het gekozen
koudemiddel met zijn eigenschappen invloed heeft op een nieuw
compressorontwerp en hoe dit
ontwerp verschilt van het R410Ageoptimaliseerde ontwerp als
uitgangspunt. Dit is weergegeven in
afbeelding 8. Hier gaan we uit van
de ontwerpkenmerken van het
vorige uitgangspunt en laten we
zien in welke mate deze individuele
ontwerpkenmerken moeten
veranderen als een R410A-basiscompressor moet worden aangepast aan een nieuw koudemiddel.
Uiteraard is CO2 met alle rode
vakken het meest uitdagende
COMPRESSOR
Koude & luchtbehandeling RCC
werk worden verzet om te voldoen
aan de eis voor een veilige en
betrouwbare werking. De olie is dus
beschikbaar, maar er moet nog voor
worden gezorgd dat de olie zich net
zo gedraagt als de bestaande olie
producten die in de markt beschikbaar zijn. Een belangrijk aspect is de
compressorprestatie of COP.
COP-wijzigingen
Afbeelding 8: Veranderingen in het compressorontwerp door het wijzigen van het koudemiddel.
Afbeelding 9: Nieuwe koudemiddelen vereisen specifieke oliën
Afbeelding 10: COP-veranderingen van de genoemde
koudemiddelen ten opzichte van R410A.
ontwerp en in dat opzicht is het dus
een hoogst onwaarschijnlijke keuze.
Maar als we kijken naar propaan,
R32 met HFO- combinatie en L41
zijn er ook enkele rode vakken die
aangeven dat een ingrijpende wijziging nodig is.Er zijn echter ook een
heleboel groene vakken, wat
betekent dat er geen verandering nodig is, en ook enkele
gele vakken waaraan een
kleine wijzigingen moet
worden aangebracht. De
vraagtekens geven ook aan
dat er nog een aantal open
thema’s zijn over hoe je een
optimaal ontwerp voor een
individueel koudemiddel
moet realiseren.
Olie
Een ander aspect is de keuze van
olie, die wordt getoond in afbeelding 9. Hoewel deze nieuwe oliën
beschikbaar zijn voor de vermelde
koudemiddelen, moet er nog wat
Afbeelding 10 toont de COP-wijzigingen van de genoemde koudemiddelen ten opzichte van R410A
voor twee representatieve bedrijfscondities. De beschikbare gegevens
voor deze koudemiddelen resulteren in nog enkele onzekerheden.
De tabel toont een aantal geteste
gegevens in blauw en berekende
gegevens in geel. Deze geteste
gegevens zijn afkomstig van de niet
-geoptimaliseerde compressoren.
Met andere woorden, in de meeste
gevallen zijn dit drop-in resultaten,
terwijl de gele nummers zijn
afgeleid van de thermodynamische
eigenschappen van het koudemiddel in combinatie met bepaalde
aannames van compressorgedrag.
De algemene conclusie is dat deze
veranderingen kunnen worden
gedaan met een relatief geringe
invloed op de COP. Overschakelen
naar koudemiddelen met een lagere
GWP betekent niet noodzakelijkerwijs dat de prestaties of de efficiëntie van deze compressoren daaronder moet lijden en er is nog wat
ruimte om de geteste gegevens te
verbeteren door het beter optimaliseren van de compressor voor dit
specifiek gekozen koudemiddel. RCC K&L
Meer informatie:
Meer informatie
Emerson Climate Technologies GmbH
Servicecenter Benelux
Deltakade 7
5928 PX Venlo
T: 077-3240234
E: [email protected]
E: Norbert.kaemmer @emerson.com
I: www.emersonclimate.eu
107 e JAARGANG APRIL 2014
35