lic. Dirk Willem

THERMODYNAMICAHoofdstuk 8

• Koelmachines en warmtepom- pen

KoelcycliKoelmachine

 

Koelmachine: - warmte overbrengen van TL TH

- vraagt arbeid - werkt volgens negatief kringproces - doel: ruimte op lage temp. houden

Eerste hoofdwet: ΣQ = ΣW QL - QH = -Wnet,in of QH = Wnet,in + QL

KM Wnet,in

QL

QH

KOUDE koelruimte

WARME omgeving

Koelfactor (COP):

• Koelmachines en warmtepom- pen

KoelcycliWarmtepomp

 

Warmtepomp: - werkt zoals koelmachine - doel: ruimte op hoge temp. houden

WP Wnet,in

QL

QH

KOUDE buitenlucht

WARME woning

Prestatiecoëfficiënt (COP):

,

• Koelmachines en warmtepom- pen

Koelcycli Koelmachine Warmtepomp

,

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

Koelcycli De Carnot-koelcyclus

,

TTH

TL

S1=S4 S2=S3

QH

QL

3

21

4

S

1→2 isotherme expansie2→3 adiabatische compressie3→4: isotherme compressie4→1: adiabatische expansie

1→2: isotherme expansie:

> 0

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

Koelcycli De Carnot-koelcyclus

TTH

TL

S1=S4 S2=S3

QH

QL

3

21

4

S

1→2 isotherme expansie2→3 adiabatische compressie3→4: isotherme compressie4→1: adiabatische expansie

3→4: isotherme compressie:

< 0

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

Koelcycli De Carnot-koelcyclus

Koelfactor Carnot-koelmachine:

TTH

TL

S1=S4 S2=S3

QH

QL

3

21

4

S

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

Koelcycli De Carnot-koelcyclus

Prestatiecoëfficiënt Carnot-warmtepomp: 

TTH

TL

S1=S4 S2=S3

QH

QL

3

21

4

S

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

Koelcycli De Carnot-koelcyclus

Conclusies:

• (TH -TL )↓ COPKM↑ en COPWP↑

• Carnot-koelcyclus = hoogste COP

• Carnot-koelcyclus = ideale cyclus

 

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli De ideale damp-compressiecyclus

Conclusies:

1-2 isentrope compressie 2-3 warmteafvoer bij constante druk 3-4 smoorproces4-1 warmteopname bij constante druk

 

verzadigdevloeistof

verzadigdedamp

qH

qH

Warme omgeving

Verdamper

Koude omgeving

CompressorExpansie-ventiel

qLqL

winwin

T

s

1 1

223

3

44

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli De ideale damp-compressiecyclus

Conclusies:

1-2 isentrope compressie 2-3 warmteafvoer bij constante druk 3-4 smoorproces4-1 warmteopname bij constante druk

 

verzadigdevloeistof

verzadigdedamp

qH

qH

Warme omgeving

Verdamper

Koude omgeving

CompressorExpansie-ventiel

qLqL

winwin

T

s

1 1

223

3

44

qH = oppervl. onder kromme 3-2qL = oppervl. onder kromme 4-1

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli

verzadigdevloeistof

verzadigdedamp

qH

qL

win

T

s

1

2

3

4

qH = oppervl. onder kromme 3-2qL = oppervl. onder kromme 4-1

De ideale damp-compressiecyclus

1-2 isentrope compressie 2-3 warmteafvoer bij constante druk 3-4 smoorproces4-1 warmteopname bij constante druk

 

De ideale damp-compressiecyclus

1ste hoofdwet: q – wt = Δh+Δek+ Δep

Compressor: q = 0

–wt = h2 – h1

–(–win) = h2 – h1

win = h2 – h1

Condensor: wt = 0

q = -qH = h3 – h2

qH = h2 – h3

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli

verzadigdevloeistof

qH

qL

win

T

s

1

2

3

4

De ideale damp-compressiecyclus

1ste hoofdwet: q – wt = Δh+Δek+ Δep

Expansieventiel: q = 0 en wt = 0

0 = Δh h4 = h3

Verdamper: wt = 0

q = +qL = h1 – h4

qL = h1 – h4

 

 

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl..

Koelcycli

verzadigdevloeistof

qH

qL

win

T

s

1

2

3

4

qH = h2 – h3

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli

verzadigdevloeistof

qH

qL

win

T

s

1

2

3

4

3

De ideale damp-compressiecyclus Compressor: win = h2 – h1

Condensor: qH = h2 – h3 Expansieventiel: h4 = h3

Verdamper: qL = h1 – h4

Koelfactor koelmachine:

Koelvermogen:

Compressorvermogen:

Prestatiecoëff. warmtep. :

 

 

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli

3 De ideale damp-compressiecyclus

Enkele toestellen:

Toestel Verdamper Condensor

Koelkast Vriesvak Buitenkant koelkast

Airco Binnen Buiten

Warmtepomp Buiten Binnen

De ideale damp-compressiecyclus: voorbeeld

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli

3

?

Gegeven:

Koelmiddel R12°t1 =° t4 = -10°C - 10°C = -20°C °t3 = 24°C + 10°C = 34°C = 5,5 kWGevraagd:

 

De ideale damp-compressiecyclus: voorbeeld

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli

3

Koelmiddel R12:Tabel A-11:°t = -20°C: hg = h1 = 178,74 kJ/kg sg = s1 = 0,7087 kJ/(kg.K)°t = 34°C: pat = p2 = p3 = 0,82636 MPa hf = h3 = 68,55 kJ/kg = h4

Tabel A-13:s2 = s1 = 0,7087 kJ/(kg.K) p2 = 0,82636 MPa

 

-20°C

34°C

h2 =?

De ideale damp-compressiecyclus: voorbeeld

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli

3

?

Koelmiddel R12:Tabel A-13: s2 = s1 = 0,7087 kJ/(kg.K) p2 = 0,82636 Mpa

Na meerdere lineaire interpoloaties:  

De ideale damp-compressiecyclus: voorbeeld

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli

3

?

h1 = 178,74 kJ/kgh2 = 208,75 kJ/kgh4 = h3 = 68,55 kJ/kg

Koelvermogen:qL = h1 – h4

 

-20°C

34°C

De ideale damp-compressiecyclus: voorbeeld

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli

3

?

h1 = 178,74 kJ/kgh2 = 208,75 kJ/kgh4 = h3 = 68,55 kJ/kg

Compressorvermogen:win = h2 – h1

 

 

-20°C

34°C

De ideale damp-compressiecyclus: voorbeeld

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

compressiecycl.

Koelcycli

3

?

h1 = 178,74 kJ/kgh2 = 208,75 kJ/kgh4 = h3 = 68,55 kJ/kg

koelfactor :

 

-20°C

34°C

De werkel. damp-compressiecyclus:

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

Compressiecycl.• Werkel.

damp-compressiecycl.

Koelcycli

3

?

bron op lage temp. TL

bron op hoge temp. TH

Verschillen met ideale cyclus:1. T cond > TH en Tverdamp < TL

COP daalt 2. Irrev. adiab. compr. (1-2)

win stijgt COP daalt3. toest. 1: licht oververhitte damp

toest. 3: gecomprimeerde vl.4. Vloeistofwrijving

drukval in condensor, verdamper en leidingen

 

Voorwaarden koelmiddel:• niet toxich, niet brandbaar, niet corrosief, niet duur, hfg

groot• werkingsdrukken: pcond < pkr en pverdamp niet te laag

 

Juiste keuze van het koelmiddel:

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

Compressiecycl.• Werkel.

damp-compressiecycl.

• Keuze koelm.

Koelcycli

3

?

dampvast

vloeist.kritisch punt

pverdamp

T

dampspanningslijn(damp + vloeist.)

Tcond

pcond

p

Tverd.

Soorten koelmiddelen:• CFK’s : R12 (CCl2F2), …

nadeel: Cl veroorzaakt afbraak ozonlaag in atmosfeer• HFK’s: Cl vervangen door H voorbeeld: R134a (CF3CH2F) • ammoniak• koolwaterstoffen: propaan, methaan, …

 

Juiste keuze van het koelmiddel:

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

Compressiecycl.• Werkel.

damp-compressiecycl.

• Keuze koelm.

Koelcycli

3

?

 

Warmtepompen:

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

Compressiecycl.• Werkel.

damp-compressiecycl.

• Keuze koelm.

• Warmtepompen

Koelcycli

3

binnenlucht

verdamper

buitenlucht

condensorexpansie-ventiel

compressor

 

Warmtepompen:Warmtepomp + airco

• Koelmachines en warmtepom- pen

• Carnot-koelcyclus

• De ideale damp-

Compressiecycl.• Werkel.

damp-compressiecycl.

• Keuze koelm.

• Warmtepompen

Koelcycli

3

?

Warmtewisse- laar binnen

Warmtewisse- laar buiten

expansieventiel

Verwarmenkoelen

omkeerklep