mb o TOUCHTECH
TouchTech – Techniek die je raakt Dit boek is onderdeel van TouchTech, een complete modulaire methode voor MBO Techniek niveau 3 en 4. Dit standaardboek is opgebouwd uit een aantal opeenvolgende leereenheden van één vakgebied. TouchTech is zowel in boekvorm, als boek OpMaat en digitaal beschikbaar. TouchTech heeft een breed aanbod van circa 400 leereenheden voor de vele vakgebieden in de elektrotechniek, werktuigkunde en mechatronica.
Werktuigkundige installaties 1
TOUCHTECH
Werktuigkundige installaties 1 LEERWERKBOEK
Het boek Werktuigkundige installaties 1 bevat tien leereenheden over belangrijke onderwerpen uit het gelijknamige vakgebied. Deze leereenheden geven de theoretische basis voor verwarmings- en koelinstallaties, verbrandingsmotoren en (gas)turbines, drukvaten, leidingen en diverse soorten pompen.
LEERWERKBOEK NIVEAU 3&4
Learning by doing De serie TouchTech helpt de verbinding te maken tussen theorie en praktijk. Elke leereenheid start met kernvragen over het leerdoel, zodat je weet wat je gaat leren. Binnen elke leereenheid wordt beknopte theorie gekoppeld aan praktijkvoorbeelden. Na de theorie volgen korte verwerkings- en toepassingsopdrachten om de lesstof eigen te maken en de relatie met de praktijk te leggen. Anytime/anywhere Met de nieuwe serie Techniek is de benodigde theorie anytime/anywhere beschikbaar. De theorie is beschikbaar in leereenheden op onderwerp, zodat je eenvoudig kunt beschikken over alleen de theorie die je op dat moment nodig hebt tijdens lessen, praktijkopdrachten en projecten. De leereenheden/onderwerpen zijn snel op te zoeken voor docent én student. Bewezen didactiek De didactische opbouw van elke leereenheid is gebaseerd op het zes-leerfasen model: na een introductie vanuit de praktijk volgt de theorie, verduidelijkt met praktijkvoorbeelden. In het tweede deel gaat de student aan de slag met verwerkingsvragen, toepassingsvragen en tenslotte de evaluatie en reflectie. Diversiteit aan leermiddelen TouchTech is leverbaar op papier of digitaal in een volgorde die jij wilt. De op zichzelf staande leereenheden zijn samen te stellen tot maatwerkreaders, maar ook als standaardboek (leerwerkboek) met vaste volgorde per vakgebied te bestellen. Digitaal is de methode als licentie beschikbaar voor scholen, waarbij de docent zelf een curriculum kan samenstellen uit het brede aanbod van leereenheden. TouchTech bevat leereenheden die geschikt zijn voor de kwalificaties: - Human Technology - Middenkader Engineering - Werktuigkundige installaties, enz. - Elektrotechnische installaties - Mechatronica
Auteurs: A. Drost H. Hebels J.H. Timpers Eindredactie: A. Drost J. Gerrits J. Ouwehand G. Siemens
9 789006 701470
wertuigkundige_istallaties1.indd All Pages
13/02/20 15:02
9006701470_bw.indb 326
11/02/2020 10:00
 
Werktuigkundige installaties 1
9006701470_bw.indb 1
TOUCHTECH
11/02/2020 09:57
Colofon Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt zich van educatieve uitgeverij tot een learning design company. We brengen content, leerontwerp en technologie samen. Met onze groeiende expertise, ervaring en leeroplossingen zijn we een partner voor scholen bij het vernieuwen en verbeteren van onderwijs. Zo kunnen we samen beter recht doen aan de verschillen tussen lerenden en scholen en ervoor zorgen dat leren steeds persoonlijker, effectiever en efficienter wordt. Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 90 06 70147 0 1e druk, 1e oplage, 2020 � ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2020
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieen in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.
Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.
9006701470_bw.indb 2
11/02/2020 09:57
Inhoudsopgave 1 WIN01 Koelinstallaties
9
Introductie 10 Theorie 11 Kernvragen 11 Koelmethoden 11 Koelprincipe 12 Koelinstallaties 14 Koelmiddelen 15 Druk-enthalpiediagram 17 Expansieventiel 19 Schema’s van koelinstallaties 21 Warmtepomp 25 Hybride koelinstallatie 26 Samenvatting 26 Video 27 Begrippen 28 Theorieopdrachten 29 Opdrachten uit de praktijk 30 Evaluatie en reflectie 33 Checklist 33 Zelftoets 33
2 WIN02 Verwarmingsinstallaties
35
Introductie 36 Theorie 37 Kernvragen 37 Verwarmingsmethoden door de jaren heen 37 Warmtewisselaars 38 Cv-installaties 38 Verwarmingslichamen 41 Expansievat 43 Kamerthermostaat 44 Modulerende cv-ketels 45 Weersafhankelijke temperatuurregeling 45 Pompen 45 Berekeningen cv-installatie 46 Boilers 47 Zonneboilers 47 Warmtepompen 48 Lucht-luchtwarmtepomp 49 Luchtverwarming 50 Warmteterugwinsysteem (WTW) 51 Stads- of blokverwarming 53 Andere vormen van warmte-energie 53 Isolatie 55 Samenvatting 62 Video 63 Begrippen 63 Theorieopdrachten 64 Opdrachten uit de praktijk 65
9006701470_bw.indb 3
11/02/2020 09:57
Evaluatie en reflectie 72 Checklist 72 Zelftoets 72
3 WIN16 Verbrandingsmotoren
75
Introductie 76 Theorie 77 Kernvragen 77 Verbrandingsmotoren 77 Constructie en werking van zuigermotoren 78 Verbranding in mengsel- en dieselmotoren 79 Detonatie 80 Compressieverhouding 82 Hoofdonderdelen van verbrandingsmotoren 83 Het tweeslag- en vierslagprincipe 84 Ontstekings- en inspuitsystemen bij mengselmotoren 86 Het motormanagement 88 Ontstekingssystemen met en zonder verdeler 89 Ontstekingssysteem zonder verdeler 90 Rookgasanalyse bij discontinue verbranding 91 Driewegkatalysator voor benzinemotoren 93 Reductie van schadelijke stoffen in de uitlaatgassen van dieselmotoren 95 Samenvatting 95 Video 96 Begrippen 96 Theorieopdrachten 97 Opdrachten uit de praktijk 98 Evaluatie en reflectie 100 Checklist 100 Zelftoets 100
4 WIN17 Brandstofsystemen en motorvermogen
103
Introductie 104 Theorie 105 Kernvragen 105 Brandstofsystemen 105 Injectiesystemen voor mengselmotoren 105 Injectiesystemen voor dieselmotoren 112 Brandstofsystemen voor middelsnelle en langzaam lopende dieselmotoren 115 Zuigerkracht, leibaankracht en draaimoment 118 Theoretische processen in verbrandingsmotoren 119 Indicateurdiagram van een vierslagmotor 120 Indicateurdiagram van een tweeslagmotor 124 Regelingsdiagram 125 Samenvatting 126 Video 127 Begrippen 128 Theorieopdrachten 129 Opdrachten uit de praktijk 130
9006701470_bw.indb 4
11/02/2020 09:57
Evaluatie en reflectie 133 Checklist 133 Zelftoets 133
5 WIN18 Turbines en stoominstallaties
135
Introductie 136 Theorie 137 Kernvragen 137 Stoom 137 Verbranding 138 Stoominstallatie 140 Stoomketels 141 Waterpijpketels 143 Stoomketel-turbine-installatie 145 Ontwikkeling van de stoomturbines 148 Omzetting van thermische energie in kinetische energie met behulp van stoom 149 Gelijkdrukturbines 150 Gecombineerde turbines 155 Samenvatting 156 Video 158 Begrippen 158 Theorieopdrachten 159 Opdrachten uit de praktijk 161 Evaluatie en reflectie 164 Checklist 164 Zelftoets 164
6 WIN20 Gasturbines en thermische ontwikkelingen 167 Introductie 168 Theorie 169 Kernvragen 169 Werkingsprincipe van een gasturbine 169 Gecombineerde stoom-gasinstallaties 175 Stadsverwarming 178 Total Energy Module (TOTEM) 180 Energiebewust werken met perslucht 182 Kernenergie 183 Samenvatting 184 Video 186 Begrippen 186 Theorieopdrachten 187 Opdrachten uit de praktijk 189 Evaluatie en reflectie 192 Checklist 192 Zelftoets 193
7 WIN12 Drukvaten en pijpleidingen
195
Introductie 196 Theorie 197 Kernvragen 197 Drukvaten 197 Pijpleidingen 200
9006701470_bw.indb 5
11/02/2020 09:57
Verbindingen voor pijpleidingen 205 Compensatoren voor leidingbewegingen 210 Thermische uitzetting van leidingen 213 Samenvatting 216 Video 217 Begrippen 218 Theorieopdrachten 219 Opdrachten uit de praktijk 221 Evaluatie en reflectie 224 Checklist 224 Zelftoets 224
8 WIN13  Pomptheorie 227 Introductie 228 Theorie 229 Kernvragen 229 Pompkeuze 229 Opvoerhoogte 229 Zuighoogte 230 Pershoogte 231 Hydraulische rendementen 235 Pompopbrengst 235 Pompvermogen 236 Cavitatie en NPSH 237 Samenvatting 244 Video 246 Begrippen 246 Theorieopdrachten 247 Opdrachten uit de praktijk 248 Evaluatie en reflectie 251 Checklist 251 Zelftoets 251
9 WIN14 Verdringerpompen
255
Introductie 256 Theorie 257 Kernvragen 257 Inleiding 257 Enkelwerkende plunjer- en zuigerpomp 259 Dubbelwerkende plunjer- en zuigerpomp 261 Differentiaalpomp 263 Membraanpomp 264 Roterende verdringerpompen 266 Tandwielpomp 266 Schottenpomp 268 Worm- of schroefpomp 270 Enkelworm- of monopomp 271 Lobbenpomp 272 Slangenpomp 272 Diagrammen 273 Samenvatting 276 Video 278 Begrippen 278
9006701470_bw.indb 6
11/02/2020 09:57
Theorieopdrachten 279 Opdrachten uit de praktijk 280 Evaluatie en reflectie 283 Checklist 283 Zelftoets 283
10 WIN15 Waaierpompen
287
Introductie 288 Theorie 289 Kernvragen 289 Waaierpompen 289 Centrifugaalpompen 289 Waaiers 292 Asafdichtingen 295 Kenmerken van een centrifugaalpomp 297 Schakelen van centrifugaalpompen 300 Pompkarakteristieken 301 Leidingkarakteristiek, pompkarakteristiek en werkpunt 303 Zelfaanzuigende centrifugaalpompen 306 Samenvatting 308 Video 309 Begrippen 310 Theorieopdrachten 311 Opdrachten uit de praktijk 312 Evaluatie en reflectie 320 Checklist 320 Zelftoets 320
Register
9006701470_bw.indb 7
323
11/02/2020 09:57
9006701470_bw.indb 8
11/02/2020 09:57
1
WIN01
Koelinstallaties
Auteur A. Drost Eindredactie J. Ouwehand
v1.0
9006701470_bw.indb 9
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Introductie
Introductie Koeling in een koelvitrine Koelen is het verplaatsen van warmte. Door de verplaatsing neemt op de oorspronkelijke plaats de hoeveelheid warmte af. Er is dus koeling opgetreden. Op de plaats waar de warmte naartoe is getransporteerd, is een hoeveelheid warmte samengebracht. Hier is dus verwarming opgetreden. Om warmte te kunnen verplaatsen, is een koelinstallatie nodig. Er zijn verschillende koelinstallaties beschikbaar, waarvan de huishoudelijke koelkast en de koelvitrine in een winkel de bekendste zijn. In een koelvitrine wordt de eventueel aanwezige warmte overgebracht naar een andere plaats. Hierdoor worden de producten in de vitrine gekoeld en blijven ze langer vers.
Figuur 1 Koelvitrine van een slager (Bron: Shutterstock)
Oriënterende vragen
• •
Waarom is een koelvitrine opgebouwd zoals op de foto te zien is? Bij een koelvitrine is sprake van het verplaatsen van warmte uit de vitrine. Waar denk je dat deze warmte naartoe gaat?
10
9006701470_bw.indb 10
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
Theorie Kernvragen • Waar wordt koeling toegepast? • Wat is het belang van de verdamperdruk in een koelsysteem? • Welke regelingen komen voor in een koelinstallatie? • Welke koel- en isolatiemiddelen worden bij koelinstallaties gebruikt? • Hoe bepaal je de benodigde koelcapaciteit van een koelinstallatie? Koelmethoden Voor het gemak spreken we in deze leereenheid over koelinstallaties, maar daaronder vallen ook vriesinstallaties en dergelijke. Er zijn drie koelmethoden:
• • •
convectiekoeling damp-compressiekoeling absorptiekoeling
Convectiekoeling Convectiekoeling wordt vooral gebruikt bij verbrandingsmotoren. Bij een verbrandingsmotor moet de ontstane warmte in de cilinders worden afgevoerd om oververhitting en daardoor vastlopen van de motor te voorkomen. Om de warmte af te voeren wordt gebruikgemaakt van koelvloeistof (meestal op glycolbasis). De koelvloeistof neemt de warmte door middel van convectie (warmtegeleiding) vanuit de cilinderwanden op. Deze verwarmde vloeistof wordt vervolgens naar een warmtewisselaar (radiator of koeler) verpompt, waar de warmte wordt overgedragen aan bijvoorbeeld lucht of water. Hierna wordt het koelmiddel weer naar de motor getransporteerd.
Damp-compressiekoeling Damp-compressiekoeling wordt vooral gebruikt in huishoudelijke koelkasten voor het bewaren van etenswaren. Maar ook bij klimaatbeheersing (airconditioning) in een huis of gebouw wordt dit type koeling toegepast. Daarnaast wordt dit systeem gebruikt in grote commerciële en industriële koelinstallaties.
Absorptiekoeling Een andere methode om producten te koelen is door middel van het absorptieproces. Absorptiekoeling kan worden gebruikt in heel grote installaties, maar eveneens in kleinere, zoals een koelkast in een caravan. Ook in technische installaties waar veel overtollige warmte als bijproduct aanwezig is, wordt vaak absorptiekoeling toegepast. Hiermee kan de overtollige warmte voor andere doeleinden bruikbaar worden gemaakt, zoals voor koelkasten in caravans en campers.
11
9006701470_bw.indb 11
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
Koelprincipe Het koelprincipe is afhankelijk van het koken en condenseren van een vloeistof. Bij een snelkookpan bijvoorbeeld zorgt de verhoogde druk in de pan ervoor dat water in de pan en dus ook bijvoorbeeld aardappels bij een temperatuur hoger dan 100 ° Cgaan koken. Omgekeerd kan ook: bij een lagere druk kookt het water bij een temperatuur lager dan 100 ° C. In figuur 2 zie je de kooktemperaturen van water bij verschillende absolute drukken. Stel dat het water een temperatuur heeft van 50 ° Cen een absolute druk van 1 bar(a) (punt A). Als je dan de druk verlaagt, zal dit water gaan koken bij ongeveer 0,12 bar(a) (punt B). absolute druk (bar (a))
20
C
1
A
0,1
B D
0,01
0,001 0
20
40
60
80
100
120
temperatuur (°C)
Figuur 2 Damplijn van water (Bron: Tiekstramedia)
Hetzelfde kun je doen vanuit punt C met een temperatuur van 20 ° Cen een absolute druk van 1 bar(a) . Als de temperatuur constant blijft en de druk wordt verlaagd, zal het water gaan koken bij een druk van 0,024 bar(a) . Maar als dit gebeurt in een ruimte die een temperatuur heeft van 30 ° C, zal het kookproces warmte aan de ruimte onttrekken. De temperatuur in de ruimte zal dan dalen, er wordt dus gekoeld.
Praktijkvoorbeeld: Bepalen van de kooktemperatuur Gegeven Een snelkookpan werkt met een druk van 2 bar. Gevraagd Bij welke temperatuur worden aardappels in een snelkookpan gekookt? Oplossing Uit het diagram van figuur 2 kun je aflezen dat dan de kooktemperatuur gelijk is aan 1 20 ° C. Als een vloeistof bij een bepaalde druk kookt, gaat deze na het toevoeren van meer warmte over in damp: de verdampingswarmte. In dat geval is de inwendige warmte toegenomen. De hoeveelheid warmte in een vloeistof of damp wordt enthalpie genoemd. Het symbool voor enthalpie is Hen wordt uitgedrukt in kJ / kg(kilojoule per kilogram). Tijdens de overgang van vloeistof naar damp zal dus de enthalpie toenemen. Een veelgebruikt toestandsdiagram om de belangrijkste waarden van een verdampend en condenserend medium weer te geven, is het druk-enthalpiediagram (p-H-diagram). Op de verticale as staat de drukschaal en op de horizontale as de lineaire enthalpieschaal. Let goed op, de verticale schaal is niet overal gelijk. 12
9006701470_bw.indb 12
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
400 °C
100
300 °C
vloeistof
20
r %w ate
2
100
5
1
A
water-dampmengsel
B
100 °C
0,5
damp
60 °C
0,2
oververhitte stoom
200 °C
10
m
druk (bar)
300 °C
100% stoo
40 °C 0,05 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%
0,02 0,01
10 °C 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
enthalpie H (kJ/kg)
Figuur 3 p-H-diagram van water (Bron: Tiekstramedia)
Zo is aangegeven dat bij een absolute druk p = 1 barhet water begint te koken bij 100 ° C (punt A) en dat de enthalpie dan H = 418,55 kJ / kgbedraagt. Wanneer extra warmte wordt toegevoerd, blijft het water bij gelijkblijvende temperatuur koken. Steeds meer van dit water gaat over in waterdamp, tot bij een enthalpie van ongeveer 2700 kJ / kgal het water is veranderd in damp (stoom) (punt B). Bij een verdere toevoer van warmte neemt naast de enthalpie ook de temperatuur weer toe. Je spreekt dan van oververhitte stoom. In het diagram is niet alleen te zien dat bij elke druk een andere kooktemperatuur geldt, maar ook dat bij een oplopende kooktemperatuur de voor het verdampen benodigde enthalpie afneemt. Bij een druk van 221,3 bar(a) is de enthalpie van water en stoom even groot. Dit noem je de kritische druk.
13
9006701470_bw.indb 13
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
Koelinstallaties Het werkingsprincipe van een koelingscyclus berust op het afwisselend condenseren en verdampen van het koudemiddel, waarbij tevens de druk wisselt. te koelen lucht
verwarmde lucht
compressor
verdamper
koude lucht
expansieventiel
condensor
koellucht
Figuur 4 Koelingscyclus in een koelinstallatie (Bron: Tiekstramedia)
In een koelinstallatie zitten vier belangrijke onderdelen:
• • • •
compressor condensor expansieorgaan verdamper
Het koelproces verloopt als volgt. De compressor zuigt koelmiddeldamp aan vanuit de verdamper, perst de damp tot een hoge druk samen en voert dit naar de condensor. In de condensor wordt de warmte uit de damp weer afgevoerd. Hierdoor gaat de damp over in vloeistof. De druk in de condensor zal dan nog steeds dezelfde zijn. De vloeistof gaat vervolgens naar het expansieorgaan (bijvoorbeeld expansieventiel of expansiecapillair) waarin de druk wordt verlaagd. Dit heeft tot gevolg dat ook de temperatuur daalt en dat de vloeistof voor een deel overgaat in damp. Het vloeistof-dampmengsel wordt vervolgens naar de verdamper gevoerd. In de verdamper wordt warmte uit de omgeving toegevoerd zodat het vloeibare deel van het mengsel overgaat in damp. Deze warmteopname door de verdamper geeft een temperatuurverlaging van de omgeving en dus is er sprake van een koelproces. In figuur 5 zie je een schematische voorstelling van een koelinstallatie met directe koeling zoals een koelkast. Directe koeling wil zeggen dat het koelmedium direct door de warmtewisselaars in de koel- of vrieskamers stroomt, er wordt dus geen secundair koelmiddel gebruikt.
14
9006701470_bw.indb 14
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
verdamper
expansieventiel
condensor
compressor
Figuur 5 Werkingsschema van een koelkast (Bron: Tiekstramedia)
Koelmiddelen Met behulp van water zal het gewenste koelresultaat niet worden bereikt. De energie die nodig is om de druk zodanig te verlagen dat het water gaat koken bij een bepaalde temperatuur, is veel te hoog. Er zijn echter koelmiddelen die bij een drukverlaging snel tot koeling overgaan. Het nadeel van veel van deze koelmiddelen is dat ze schadelijk zijn voor het milieu. Koelmiddelen die deze eigenschap niet of in mindere mate hebben, zijn de natuurlijke koelmiddelen. Veelgebruikte koelmiddelen zijn:
• • • • • •
R170 (ethaan) R290 (propaan) R134A (tetrafluorethaan) R407C R717A (ammoniak) R744 (CO 2)
De R in de aanduiding van deze koelmiddelen staat voor Refrigicant (koelmiddel). Om een installatie uit te voeren met bijvoorbeeld R717A (ammoniak), moet je eerst de gegevens van dit koelmiddel weten. In de volgende tabellen zijn de gegevens opgenomen van de koelmiddelen R717A en R134A.
15
9006701470_bw.indb 15
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie Tabel 1 Damptabel van R717A (ammoniak)
Temperatuur Druk (° C) (bar(a) )
Soortelijk volume (m 3 / kg)
Enthalpie H (kJ / kg)
Vloeistof
Damp
Vloeistof
Damp
Vloeistof
Damp
– 40
0,72
0,00145
1,55
19
1405
– 35
0,95
0,00147
1,22
40
1413
– 30
1,20
0,00148
0,96
63
1421
– 25
1,55
0,00149
0,77
85
1428
– 20
1,90
0,00150
0,62
108
1436
– 15
2,41
0,00152
0,51
131
1443
– 10
2,91
0,00153
0,42
154
1450
–5
3,62
0,00155
0,35
176
1456
0
4,29
0,00157
0,29
200
1462
+ 10
6,15
0,00160
0,21
246
1472
+ 20
8,57
0,00164
0,15
293
1480
+ 30
11,67
0,00168
0,11
341
1486
+ 40
15,54
0,00173
0,08
390
1490
Uit de eerste rij van deze tabel blijkt dat het koelmiddel kookt bij een druk van 0 ,72 bar (a) en een temperatuur van –40 ° C; bij een druk van 15,54 baris de kooktemperatuur + 40 ° C. Tabel 2 Damptabel van R134A (tetrafluorethaan)
Temperatuur Druk (° C) (bar(a) )
Soortelijk volume (m 3/kg × 10 3)
(m 3/kg)
Enthalpie (kJ / kg)
Vloeistof
Damp
Vloeistof
Damp
Vloeistof
Damp
– 40,00
0,51139
0,707
0,361
148,401
374,288
– 35,00
0,66065
0,714
0,284
154,638
377,434
– 30,00
0,84295
0,720
0,225
160,932
380,566
– 25,00
1,06320
0,728
0,181
167,283
383,681
– 20,00
1,32668
0,736
0,147
173,695
386,773
– 15,00
1,63899
0,744
0,120
180,170
389,836
– 10,00
2,00601
0,753
0,099
186,711
392,866
–5
2,43394
0,762
0,082
193,319
395,857
0,00
2,92925
0,772
0,069
200,000
398,803
5,00
3,49868
0,782
0,058
206,756
401,697
10,00
4,14919
0,793
0,049
213,593
404,532
15,00
4,88801
0,804
0,042
220,514
407,300
20,00
5,72259
0,816
0,036
227,526
409,993
25,00
6,66063
0,828
0,031
234,634
412,600
30,00
7,71005
0,842
0,027
241,846
415,109
35,00
8,87907
0,856
0,023
249,170
417,506
16
9006701470_bw.indb 16
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
Soortelijk volume
Temperatuur Druk (° C) (bar(a) )
Enthalpie (kJ / kg)
(m 3/kg × 10 3)
(m 3/kg)
40,00
10,17616
0,871
0,020
256,617
419,775
45,00
11,61013
0,888
0,017
265,197
421,897
50,00
13,19017
0,907
0,015
271,926
423,845
55,00
14,92592
0,927
0,013
279,821
425,590
60,00
16,82762
0,949
0,011
287,905
427,091
65,00
18,90623
0,974
0,010
296,209
428,296
70,00
21,17366
1,003
0,009
304,772
429,132
Praktijkvoorbeeld: Bepalen van de toegevoerde warmte Gegeven In een vrieskamer moet de temperatuur –25 ° Czijn. De temperatuur van de koelvloeistof moet dan 5 ° Cdaaronder liggen. Gevraagd Hoeveel warmte moet aan 1 kgammoniak worden toegevoerd bij een temperatuur van –30 ° Cen een druk van 1,2 · 10 5 Pa? Maak gebruik van de damptabel van R717A (tabel 1). Oplossing Uit tabel 1 volgt dat bij de gegeven druk en temperatuur de toegevoerde warmte moet zijn: 1421 kJ/kg - 63 kJ / kg = 1358 kJ / kg
Druk-enthalpiediagram
druk (·105 Pa (a))
De druk en temperatuur in een compressiekoelmachine zijn afhankelijk van de constructie en instellingen van de koelmachine, maar in nog sterkere mate van het toegepaste koelmedium. Om de eigenschappen van een koelmiddel eenvoudig weer te geven, wordt vaak het druk-enthalpiediagram (p-H-diagram) gebruikt. 101 °C
40,56
vloeistof C
2,93
D
coëxistentiegebied 0 °C E verdampingswarmte
H
F
B
1,06
damp
–25 °C G
A
167,3
200
383,7 398,8 enthalpie H (kJ/kg)
Figuur 6 p-H-diagram van R134A (Bron: Tiekstramedia)
17
9006701470_bw.indb 17
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
De lijn AD is de verzadigde vloeistoflijn. Links van deze lijn ligt het vloeistofgebied. De lijn DG is de verzadigde damplijn. Rechts van deze lijn bevindt zich het dampgebied. Tussen de beide lijnen ligt het coëxistentiegebied (co = samen, existeren = bestaan), waar zowel damp als vloeistof voorkomt.
druk (·105 Pa (a))
In dit diagram is als voorbeeld een koelproces met koelmiddel R134A bij een druk van 2,93 bar(a) ingetekend. De koelvloeistof wordt verwarmd tot 0 ° C, zodat hij net gaat koken (zie punt C). De enthalpie van de koelvloeistof is dan H = 200 kJ / kg. Als je meer warmte toevoert, verdampt er steeds meer vloeistof bij de temperatuur van 0 ° C. In punt E is de enthalpie 398,8 kJ / kg. Er is dan 398,8 kJ / kg - 200 kJ / kg = 198,8 kJ / kgals verdampingswarmte toegevoerd en alle vloeistof is overgegaan in damp. Als je de damp vanuit punt E verder laat expanderen naar punt H door warmte toe te voeren, wordt de damp oververhit. Dezelfde situatie doet zich voor bij een druk van 1 ,06 · 10 5 Pa(a) en een temperatuur van –25 ° C(zie lijn BF).
isentroop Oaf A
p1
F
E polytroop
p2
G
B
C
D
Otoe
HG
HA · HB
w
HC HD
HE enthalpie H (kJ/kg)
Figuur 7 Vereenvoudigd p-H-diagram (Bron: Tiekstramedia)
Vanuit punt A in figuur 7 wordt het vloeibare koelmiddel door middel van een expansieventiel (regelkraan) in druk verlaagd tot punt B. Tijdens deze drukverlaging gaat bij gelijkblijvende enthalpie een gedeelte van de vloeistof weer over in damp. De warmte die hiervoor nodig is, wordt niet aan de omgeving onttrokken, maar aan de vloeistof zelf. Ook is de temperatuur in punt B lager dan in punt A. Als er in het expansieventiel geen vloeistof zou verdampen, zou de lijn AG worden doorlopen. Er verdampt echter wel vloeistof zonder warmte aan de omgeving te onttrekken (wel aan zichzelf). Het verdampte koelmedium kan geen verdampingswarmte meer in de verdamper opnemen. Lijn GB is dus een verliespost: het ‘regelkraanverlies’. Vanaf punt B stroomt het vloeistof-dampmengsel door een verdamper, waarbij warmte aan de omgeving wordt onttrokken. Hierbij is in punt C alle vloeistof weer omgezet in verzadigde damp en in punt D in oververhitte damp. Vervolgens wordt de oververhitte damp in een compressor tot een hoge druk samengeperst (zie lijn DE). Een compressie is in het p-H-diagram als een bijna rechte streeplijn aangegeven. Na de compressie wordt de oververhitte damp door een condensor geleid volgens lijn EA, waar eerst de oververhitte damp wordt omgezet in verzadigde damp (zie punt F). Vervolgens condenseert de damp door het onttrekken van warmte. Bij gelijkblijvende druk in punt A is alle damp omgezet in vloeistof.
18
9006701470_bw.indb 18
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
Tijdens het proces onttrekt de verdamper warmte Qtoe aan de omgeving, terwijl de condensor een hoeveelheid warmte Qaf afvoert. De energie die nodig is voor het aandrijven van de compressor wordt aangegeven als arbeid (W). Voor de duidelijkheid is nogmaals een p-H-diagram van een koelproces weergegeven, nu ingetekend in een schema van een eenvoudig koelsysteem. warmteafvoer
druk
condensor
p2
compressor
expansieventiel p1
Oaf
F
T1
T4 E
T1
A
Otoe
H1
T3 D heet gas
T2
B
H2
C
H3
H4 enthalpie
warmtetoevoer
verdamper
Figuur 8 Verband tussen p-H-diagram en koelproces (Bron: Tiekstramedia)
Expansieventiel Het expansieventiel moet de vloeistoftoevoer naar de koeleenheden zo regelen dat: a geen overmatige hoeveelheid vloeibaar koelmiddel aan de verdamper (koeleenheid) wordt toegevoerd. Zonder expansieventiel zou de situatie kunnen ontstaan dat een gedeelte van het vloeibare koelmiddel niet verdampt. Hierdoor komt het koelmiddel vloeibaar in de compressor, wat schade tot gevolg heeft. b geen tekort aan koelvloeistof aan de verdamper wordt afgegeven, waardoor de vloeistof te snel verdampt. De warmteopname van die vloeistof is dan te gering waardoor de koelcapaciteit (of het koelvermogen) afneemt.
19
9006701470_bw.indb 19
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
  Figuur 9  Expansieventiel  (Bron: Tiekstramedia/bing.com)
De regeling van de stand van het ventiel wordt uitgevoerd met behulp van een temperatuursensor (in de praktijk bulb genoemd). Deze sensor wordt op de retourpijp naar de compressor bevestigd. Hij wordt dus thermostatisch geregeld.
Expansiecapillair In koelinstallaties waarbij om een aantal redenen geen expansieventiel kan worden toegepast, is er de mogelijkheid om de expansie van de koelvloeistof na de condensor te bewerkstelligen met behulp van een zogenoemd expansiecapillair. Dit is een koperen buis met een kleine doorsnede en een grote lengte. Dit capillair wordt meestal in de zuigleiding van de verdamper naar de compressor aangebracht, of wordt om deze leiding gewonden. Het vloeibare koelmiddel wordt dan afgekoeld door de koude retourdamp, zodat er tijdens de expansie minder warmteverlies optreedt voor het afkoelen naar de temperatuur behorend bij de lagere verdamperdruk. In principe levert dit hetzelfde resultaat als bereikt kan worden met behulp van een expansieventiel.
20
9006701470_bw.indb 20
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
Schema’s van koelinstallaties Koelinstallatie met directe koeling Koelvrachtwagens en koelschepen, maar ook slagerijen en winkels waar etenswaren worden verkocht, worden meestal uitgerust met grote koelinstallaties met directe koeling.
temperatuurvoeler TC TC
vrieskamer
koelkamer expansieventiel 1
expansieventiel 2
temperatuurregeling
temperatuurregeling
compressor condensor
M koelwater
Figuur 10 Schema directe koeling (Bron: Tiekstramedia)
In deze installatie wordt door de compressor, die wordt aangedreven door een elektromotor met een regelbaar toerental, dampvormig koelmiddel naar de condensor geperst. In de condensor wordt de damp weer omgezet in vloeibaar koelmiddel. Het vloeibare koelmiddel wordt vervolgens aan twee ventielen toegevoerd die door middel van een temperatuurvoeler (temperatuurcontroller (TC)) de temperatuur in de ruimten regelen. Daarna wordt het vloeibare koelmiddel door een tweetal thermostatische expansieventielen geleid. In deze ventielen wordt het omgezet naar een lage druk. De expansieventielen worden aangestuurd door voelers die op de retourleidingen naar de compressor zijn aangebracht. Deze voelers zorgen er voor dat alle koelvloeistof in de verdamper wordt verdampt, zodat er geen vloeistof door de compressor kan worden aangezogen. De expansieventielen zijn dus heel belangrijk voor een goede werking van een koelinstallatie. Ten slotte wordt het vloeistof-dampmengsel (bijvoorbeeld 80%vloeistof en 20% damp) naar de koel- en vrieskamer gevoerd, waar de vloeistoffen verder worden omgezet in damp. Hierbij wordt aan de beide kamers warmte onttrokken. Na de beide kamers zal alle damp door de zuigleidingen naar de compressor worden gevoerd. Hierna begint de cyclus weer opnieuw.
21
9006701470_bw.indb 21
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
Koelinstallatie met indirecte koeling Van indirecte koeling is sprake als de te koelen eenheden door middel van een tussenstof (koudedrager) worden gekoeld. Deze tussenstof kan water, pekel of een water-glycolmengsel zijn. Deze koelmethode heeft als voordeel dat er een centrale koelinstallatie wordt toegepast die meerdere koeleenheden kan aansturen. Dit betekent dat de hoeveelheid koudemiddel gering kan zijn. In het principeschema van een installatie met indirecte koeling worden als voorbeeld drie koeleenheden gekoeld door middel van een water-glycolmengsel (brijn). Het mengsel wordt in een brijnbak gekoeld en via een pomp naar de te koelen eenheden gepompt. retour van koel- en vrieskamers
brijnbak
naar koelen vrieskamers
temperatuurvoeler TC
M verdamper
compressor
temperatuurregeling brijnbak
expansieventiel condensor
M koelwater
Figuur 11 Schema indirecte koeling (Bron: Tiekstramedia)
De voordelen van deze installatie zijn:
• • • •
geen of minder kans op lekkage door geringere toepassing van koelmiddel in het primaire deel; eenvoudige hoeveelheidsregeling van de koudedrager (brijn); grotere veiligheid in de gekoelde ruimten; groot warmteaccumulerend vermogen.
Een nadeel is het hogere energieverbruik door het gebruik van een extra pomp (brijnpomp).
Absorptiekoeling Bij absorptiekoeling wordt voor een koelinstallatie in plaats van een dampcompressorsysteem een warmtebron gebruikt om energie te leveren. Het is een goed alternatief als er geen elektrische of mechanische energie beschikbaar is. Dit systeem heeft bovendien het voordeel dat het geruisloos werkt, wat in ziekenhuizen en bij tandartspraktijken belangrijk kan zijn. Absorptiekoeling wordt gebruikt bij een niet te sterk wisselende koelbehoefte. Uiteraard moet thermische energie beschikbaar zijn. Dit systeem wordt toegepast bij proceskoeling, bij de opslag van producten tot ongeveer –50 ° Cen bij de koeling van gebouwen. De voordelen van industriële toepassing van absorptiekoeling zijn de energiebesparing en een reductie van CO 2-uitstoot. 22
9006701470_bw.indb 22
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
Bij absorptiekoeling wordt ammoniak gebruikt als koelvloeistof. Voor de absorptievloeistof wordt een mengsel van water en ammoniak gebruikt, dat ammonia wordt genoemd. Ook kan waterstofgas worden gebruikt om het absorptieproces te versnellen. In plaats van een compressorinstallatie, zoals in een damp-compressiesysteem wordt toegepast, gebruikt het absorptiesysteem een thermische ‘compressor’ om ammoniakdamp naar een hogere druk te brengen. Op deze manier wordt elektrische energie uitgespaard. In figuur 12a is schematisch de werking van absorptiekoeling weergegeven. Hierin wordt ammonia met daarin een extra hoeveelheid ammoniak verwarmd, waardoor de ammoniak zal verdampen en een druk opbouwt. warmte
capillaire buis
waterstof en dampvormige ammoniak
condensor
condensor dampvormige ammoniak lage druk
warmte
hoge druk
verdamper
waterstof verdeler
waterstof verdamper koelruimte oplosser
vloeibare ammoniak
verwarming
a absorptiekoeling
verwarming
b absorptiekoeling in een koelinstallatie
Figuur 12 Principe absorptiekoelsysteem (Bron: Tiekstramedia)
De ammoniakdamp stijgt via een stijgleiding op naar een condensor, waar warmte aan de ammoniakdamp wordt onttrokken. Hierdoor ontstaat weer vloeibare ammoniak die via een capillaire buis naar een verdamper wordt gevoerd. Hier wordt warmte uit de koelruimte onttrokken, waardoor de vloeibare ammoniak weer overgaat in damp met lage druk. Deze ammoniakdamp komt dan weer in contact met de ammonia en wordt weer opgelost, waarna het proces weer opnieuw zal starten. In figuur 12b is schematisch weergegeven hoe absorptiekoeling in een koelinstallatie wordt toegepast. Hier wordt thermische energie toegevoerd aan een generator of boiler die de ammoniakoplossing verwarmt. Zuivere ammoniak en een gedeelte water en eventuele waterstof verdampen uit de oplossing en zullen daarbij druk opbouwen. Om het water en de waterstof af te scheiden van de ammoniakdamp is boven de boiler een waterafscheider (verdeler) aangebracht. Hier condenseert de waterstofdamp. Het water wordt vanaf hier naar een absorber (oplosser) geleid, die weer in verbinding staat met het absorbervat en de generator. De ammoniakdamp zal na het passeren van de waterafscheider onder druk naar een condensor worden geperst, waar deze damp wordt gekoeld en teruggaat naar de vloeibare fase. Door de druk op de vloeistof wordt deze naar een verdamper geperst, waar met behulp van warmte uit de omgeving of uit een andere bron de vloeibare ammoniak weer wordt omgezet in dampvorm. Hierdoor zal een lage druk ontstaan. 23
9006701470_bw.indb 23
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
De vloeibare ammoniak zal dan via een warmtewisselaar en een absorber terugstromen naar de generator of boiler, waarna het proces opnieuw begint.
Praktijkvoorbeeld: Absorptiekoeling in campers en caravans Met absorptiekoeling kunnen temperaturen tot –60 ° Cworden bereikt. Absorptiekoeling is erg geschikt voor koelkasten in caravans en campers, omdat de componenten bestand zijn tegen schudden en trillen tijdens het rijden. Ook hoeft deze koelkast niet waterpas te staan om probleemloos te kunnen functioneren. Daarnaast is het geluidsniveau minimaal.
Figuur 13 Absorptie koelkast in een camper (Bron: dutch.alibaba.com)
De absorptiekoelinstallatie is een goed alternatief voor een compressorkoelmachine als er:
• • • •
geen elektrische of mechanische energie beschikbaar is; in een proces veel restwarmte met voldoende hoge temperatuur aanwezig is, zoals afgaswarmte van motoren en gasturbines; eisen met betrekking tot geluidsproductie worden gesteld, zoals in medische centra; een niet te sterk wisselende koelbehoefte is.
De voordelen van de absorptiekoeling zijn vooral de energiebesparing en de reductie van de CO 2-uitstoot bij industriële toepassingen. Het nadeel van dit koeltype is de hoge kostprijs bij de inzet voor grote koelvermogens. Absorptiekoelmachines waren lang op hun retour ten opzichte van compressiekoelmachines. Milieuproblemen en nieuwe ontwikkelingen, zoals meertrapskoeling, ontwerpoptimalisatie, total energy systems met daarin opgenomen koelmachines, hebben de absorptiekoelmachines weer volop in de belangstelling gebracht.
24
9006701470_bw.indb 24
11/02/2020 09:57
WIN01 Koelinstallaties Theorie
Warmtepomp In het voorgaande is uitsluitend gekeken naar de koelfunctie van koelinstallaties. Er is echter ook een condensor die warmte aan de damp onttrekt en als bijproduct afvoert. Het is dus ook mogelijk om met een koelinstallatie dingen te verwarmen. In principe is de werking van een warmtepomp identiek aan die van een koelinstallatie. Bij de koelinstallatie is het belangrijk dat de warmte die nodig is voor het verdampen van het koelmiddel wordt onttrokken aan een te koelen ruimte of medium. De warmte die in de condensor aan het koelmiddel wordt onttrokken, wordt meestal overgedragen aan de ruimte waar de koelinstallatie staat of naar buiten afgevoerd. Bij een warmtepomp is de werking zo dat de thermische energie uit de condensor wordt gebruikt voor bijvoorbeeld een verwarmingssysteem van een gebouw. beschikbare warmte
warmtebron
compressor
verdamper
koude lucht
expansieventiel
condensor
koellucht
Figuur 14 Principe van een warmtepomp (Bron: Tiekstramedia)
De kleine, eenvoudige warmtepompen worden van warmte voorzien door warmte te onttrekken aan de buiten- of ventilatielucht. Naast de lage kostprijs is een voordeel dat de gehele installatie als een compacte unit buiten kan staan. Nadelen zijn de rendementsbeïnvloeding door de sterk wisselende buitentemperaturen en het lawaai.
Figuur 15 Warmtepomp met luchtbron (Bron: Tiekstramedia)
25
9006701470_bw.indb 25
11/02/2020 09:58
mb o TOUCHTECH
TouchTech – Techniek die je raakt Dit boek is onderdeel van TouchTech, een complete modulaire methode voor MBO Techniek niveau 3 en 4. Dit standaardboek is opgebouwd uit een aantal opeenvolgende leereenheden van één vakgebied. TouchTech is zowel in boekvorm, als boek OpMaat en digitaal beschikbaar. TouchTech heeft een breed aanbod van circa 400 leereenheden voor de vele vakgebieden in de elektrotechniek, werktuigkunde en mechatronica.
Werktuigkundige installaties 1
TOUCHTECH
Werktuigkundige installaties 1 LEERWERKBOEK
Het boek Werktuigkundige installaties 1 bevat tien leereenheden over belangrijke onderwerpen uit het gelijknamige vakgebied. Deze leereenheden geven de theoretische basis voor verwarmings- en koelinstallaties, verbrandingsmotoren en (gas)turbines, drukvaten, leidingen en diverse soorten pompen.
LEERWERKBOEK NIVEAU 3&4
Learning by doing De serie TouchTech helpt de verbinding te maken tussen theorie en praktijk. Elke leereenheid start met kernvragen over het leerdoel, zodat je weet wat je gaat leren. Binnen elke leereenheid wordt beknopte theorie gekoppeld aan praktijkvoorbeelden. Na de theorie volgen korte verwerkings- en toepassingsopdrachten om de lesstof eigen te maken en de relatie met de praktijk te leggen. Anytime/anywhere Met de nieuwe serie Techniek is de benodigde theorie anytime/anywhere beschikbaar. De theorie is beschikbaar in leereenheden op onderwerp, zodat je eenvoudig kunt beschikken over alleen de theorie die je op dat moment nodig hebt tijdens lessen, praktijkopdrachten en projecten. De leereenheden/onderwerpen zijn snel op te zoeken voor docent én student. Bewezen didactiek De didactische opbouw van elke leereenheid is gebaseerd op het zes-leerfasen model: na een introductie vanuit de praktijk volgt de theorie, verduidelijkt met praktijkvoorbeelden. In het tweede deel gaat de student aan de slag met verwerkingsvragen, toepassingsvragen en tenslotte de evaluatie en reflectie. Diversiteit aan leermiddelen TouchTech is leverbaar op papier of digitaal in een volgorde die jij wilt. De op zichzelf staande leereenheden zijn samen te stellen tot maatwerkreaders, maar ook als standaardboek (leerwerkboek) met vaste volgorde per vakgebied te bestellen. Digitaal is de methode als licentie beschikbaar voor scholen, waarbij de docent zelf een curriculum kan samenstellen uit het brede aanbod van leereenheden. TouchTech bevat leereenheden die geschikt zijn voor de kwalificaties: - Human Technology - Middenkader Engineering - Werktuigkundige installaties, enz. - Elektrotechnische installaties - Mechatronica
Auteurs: A. Drost H. Hebels J.H. Timpers Eindredactie: A. Drost J. Gerrits J. Ouwehand G. Siemens
9 789006 701470
wertuigkundige_istallaties1.indd All Pages
13/02/20 15:02