Industrial Heat Pumps

 

Compressorregeling bij warmtepompen

Schematische weergave koelmachine/warmtepompEen goede regeling is van cruciaal belang voor een stabiele procesvoering en een optimaal rendement van een koelinstallatie of warmtepomp. De opzet van een koelinstallatie en een warmtepomp zijn nagenoeg gelijk. De figuur hiernaast geeft een koelinstallatie en/of warmtepomp schematisch weer.

Het doel van een koelinstallatie is koelen, terwijl een warmtepomp wordt ingezet om te verwarmen. Door dit fundamentele verschil zijn er ook een aantal verschillen in de regeling van beide installaties. Het voornaamste verschil zit in de capaciteitregeling van de compressor. Door de capaciteit van een compressor aan te passen, zal de hoeveelheid koudemiddel dat wordt rondgepompt - en daarmee de capaciteit van de verdamper en condensor variëren. Ofwel: door het aanpassen van de compressorcapaciteit, varieert het koel- en/of verwarmingsvermogen van de installatie.

Compressorregeling bij een koelinstallatie

Bij een koelinstallatie is het doel om te koelen, waarbij men een bepaalde temperatuur (set point) in een proces of ruimte wil bereiken. Om de gewenste temperatuur te kunnen bereiken, dient de verdampingstemperatuur in de koelmachine lager te zijn dan de temperatuur in de ruimte of het proces. Er kan onderscheid gemaakt worden tussen een installatie met één verdamper en een installatie met meerdere verdampers.

Compressorregeling bij een koelinstallatie met één verdamper
Hierbij kan de compressorcapaciteit direct worden geregeld op basis van de procestemperatuur. Als de temperatuur van het te koelen proces hoger is dan de gewenste waarde, moet de compressorcapaciteit worden verhoogd; als de procestemperatuur te laag is, moet de compressorcapaciteit worden verlaagd. In deze situatie wordt niet actief geregeld op de zuigdruk. De zuigdruk is een gevolg van de procestemperatuur, het koelvermogen en de grootte van de verdamper. Normaliter zullen de zuigdruk en de persdruk wel bewaakt worden, zodat de compressor niet buiten zijn werkgebied komt.

Compressorregeling bij een koelinstallatie met meerdere verdampers
Zodra meerdere verdampers worden toegepast, is het niet meer mogelijk om de compressorcapaciteit direct op basis van de procestemperatuur te regelen. In deze situatie zal de compressorcapaciteit normaliter worden geregeld op basis van de zuigdruk en wordt de koudemiddeltoevoer aan elke verdamper geregeld op basis van de procestemperatuur bij elke verdamper. Zodra meer koudemiddel verdampt, stijgt de zuigdruk. De compressorregeling verhoogt de compressorcapaciteit om de zuigdruk op de gewenste waarde te houden. Het setpoint voor de zuigdruk dient lager te zijn dan het laagste setpoint voor de verschillende processen. Bij een optimale regeling wordt gebruik gemaakt van een dynamisch setpoint voor de zuigdruk, waarbij continu gestreeft wordt naar een zo hoog mogelijke zuigdruk, zonder dat dit ten koste gaat van de procestemperatuur. Dit is mogelijk door de informatie over de klepstanden van de regelkleppen te betrekken in de zuigdruk regeling.

Compressorregeling bij een warmtepomp

Bij een warmtepomp is het doel om te verwarmen, waarbij het proces verwarmd wordt met de condensor van de warmtepomp. Om de gewenste procestemperatuur te bereiken, dient de condensatietemperatuur van de warmtepomp hoger te zijn dan de procestemperatuur. Er onderscheid gemaakt worden tussen een warmtepomp met één condensor en een warmtepomp met meerdere condensors.

Compressorregeling bij een warmtepomp met één condensor
Hierbij kan de compressorcapaciteit direct worden geregeld op basis van de procestemperatuur. Als de temperatuur van het te verwarmen proces lager is dan de gewenste waarde, moet de compressorcapaciteit worden verhoogd; als de procestemperatuur te hoog is, moet de compressorcapaciteit worden verlaagd. In deze situatie wordt niet actief geregeld op de pers. De persdruk is een gevolg van de procestemperatuur, het verwarmingsvermogen en de grootte van de condensor. Normaliter zullen zowel de persdruk als de zuigdruk wel bewaakt worden, zodat de compressor niet buiten zijn werkgebied komt.

Compressorregeling bij een koelinstallatie met meerdere condensors
Zodra meerdere condensors worden toegepast, is het niet meer mogelijk om de compressorcapaciteit direct op basis van de procestemperatuur te regelen. In deze situatie zal de compressorcapaciteit normaliter worden geregeld op basis van de persdruk en wordt de koudemiddeltoevoer aan elke condensor geregeld op basis van de procestemperatuur bij elke condensor. Zodra meer koudemiddel condenseert, daalt de persdruk. De compressorregeling zorgt vervolgens voor een verhoging van de compressorcapaciteit om de persdruk op het gewenste niveau te houden. Het setpoint voor de persdruk dient hoger te zijn dan het hoogste setpoint voor de verschillende processen. Bij een optimale regeling wordt gebruik gemaakt van een dynamisch setpoint voor de persdruk, waarbij continu gestreeft wordt naar een zo laag mogelijke persdruk, zonder dat dit ten koste gaat van de procestemperatuur. Dit is mogelijk door de informatie over de klepstanden van de regelkleppen te betrekken in de persdruk regeling.

Typen capaciteitregeling

Er zijn verschillende manieren om de compressorcapaciteit te variëren. De meest éénvoudige manier is het aan- en uitschakelen van compressoren. Bij installaties met meerdere compressoren kan de capaciteit hierdoor in een aantal stappen worden geregeld. Er zijn echter diverse methoden om de capaciteit nauwkeuriger te regelen, deze zijn met name afhankelijk van het type compressor.

Capaciteitregeling bij een zuigercompressor

  • Kleppenlichting, hierbij worden één of meerdere van de cilinders afgeschakeld door de kleppen te lichten. Afhankelijk van het aantal afgeschakelde cilinders kan de capaciteit stapsgewijs worden aangepast. Bij een 4 cilinder compressor met 2 afschakelbare cilinders is het hierdoor mogelijk om op 100%, 75% en 50% capaciteit te draaien. Omdat de afgeschakelde cilinders wel mee blijven bewegen en voor wrijvingsverliezen zorgen, zal het compressorrendement in deellast afnemen.
  • Toerenregeling, hierbij wordt de compressormotor voorzien van een frequentie-omvormer waarmee het toerental van de compressor - en daarmee de capaciteit traploos kan worden gevariëerd. Omdat de wrijvingsverliezen in de compressor bij een lager toerental afnemen, zal het compressorrendement in deellast toenemen.

Capaciteitregeling bij een schroefcompressor

  • Capaciteitschuif, de meeste schroefcompressoren zijn voorzien van een schuif, waarmee een deel van het aangezogen koudemiddel in de schroef kan worden teruggevoerd naar de zuigleiding. Met deze schuifregeling is het mogelijk om de capaciteit traploos te regelen. De schuif heeft echter een zeer nadelige invloed op het compressorrendement in deellast, met name bij capaciteiten lager dan 70%.
  • Toerenregeling, net als bij een zuigercompressor kan ook een schroefcompressor worden voorzien van een frequentieomvormer. Ook bij een schroefcompressor zullen de wrijvingsverliezen in deellast afnemen. Een schroefcompressor heeft echter ook te maken met lekverliezen tussen de schroeven en de behuizing. Deze lekken zijn met name afhankelijk van het drukverschil over de zuig- en perzijde van de compressor en in veel mindere mate van het toerental. Bij een lager toerental zal het compressorrendement van een schroefcompressor daarom in tegenstelling tot een zuigercompressor afnemen. Deze afname is echter minder sterk dan bij het toepassen van de capaciteitschuif en verdient daarom de voorkeur.

Lees meer