Inleiding:
Het koelproces in de airconditioning van een auto maakt gebruik van toestandsveranderingen van een stof. Bij een toestandsverandering, zoals de overgang van vloeistof naar damp, verandert de moleculaire structuur van de stof, waarvoor warmte nodig is. Warmte wordt opgenomen wanneer vloeistof verandert in damp, en in het tegenovergestelde geval, bij de overgang van damp naar vloeistof, wordt warmte afgegeven.
Als we de warmteoverdracht naar en van de omgeving bekijken, zien we dat tijdens het verdampingsproces de omgeving afkoelt, terwijl er warmte vrijkomt en de omgeving opwarmt tijdens de condensatie. Dit koelen van de omgeving treedt op in de verdamper, terwijl opwarming plaatsvindt in de condensor. Dit proces herhaalt zich continu, waardoor het bekend staat als een kringloopproces.
Op de pagina “Airconditioning inleiding” wordt het kringloopproces met de verschillende componenten van de airconditioning op een praktische wijze beschreven. Op deze pagina zullen we ons verder verdiepen in dit kringloopproces door middel van het log ph-diagram.
Kringloopproces:
Voordat een volledig log-pH-diagram wordt behandeld, wordt eerst het kringloopproces van een airconditioningsysteem besproken. Hierbij wordt gebruikgemaakt van het koudemiddel R134a. In het diagram worden de gebieden voor gas, menggebied (gas en vloeistof) en vloeistof van elkaar onderscheiden. Het kritische punt bevindt zich aan de bovenzijde van het diagram, bij ongeveer 101 °C en een druk van circa 40 bar. Boven dit punt is er geen onderscheid meer tussen vloeistof en gas.
Op de horizontale as staat de enthalpie (warmte-inhoud) in kJ/kg. Op de verticale as staat de druk in bar, weergegeven op een logaritmische schaal. Daarom wordt gesproken van een log-pH-diagram. Naast het diagram staat een beknopte uitleg over de punten afgebeeld. De uitgebreide uitleg wordt onder de diagram gegeven.
1 → 2: Compressor
Persdruk, oververhitting
2 → 3: Koudemiddel stroomt naar condensor. Oververhitting wordt afgebouwd.
3 → 4: Condensor
Warmteafgifte, condensatie, nakoeling
4 → 5: Nakoeling
Vloeistof wordt verder afgekoeld
5 → 6: Expansieventiel
Drukval, sterke temperatuurdaling
6 → 7: Verdamper
Warmteopname, verdamping, oververhitting
7 → 1: Oververhitting
Damp wordt verder opgewarmd.
Procesverloop:
- Punt 1: het koudemiddel verlaat de verdamper als gas en wordt aangezogen door de compressor bij lage druk (zuigdruk), ongeveer 2 bar en een temperatuur rond 0 °C. Het gas is hierbij licht oververhit;
- Van punt 1 naar punt 2 wordt het gas door de compressor samengeperst. Hierdoor nemen de druk en temperatuur sterk toe. Het koudemiddel verlaat de compressor als oververhitte damp bij hoge druk (persdruk), ongeveer 15 bar en circa 70 °C;
- Van punt 2 naar punt 3 stroomt het koudemiddel door de condensor. Hier geeft het warmte af aan de omgeving. In dit traject wordt eerst de oververhitting afgebouwd: de oververhitte damp koelt af tot verzadigde damp, waarbij de temperatuur daalt van ongeveer 70 °C naar circa 55 °C;
- Van punt 3 naar punt 4 condenseert het koudemiddel bij vrijwel constante druk en temperatuur (ongeveer 15 bar en 55 °C). Het gas wordt omgezet in vloeistof. Dit is het condensatieproces;
- Van punt 4 naar punt 5 wordt de vloeistof verder afgekoeld. De vloeistof raakt hierbij onderkoeld; dit wordt ook wel nakoeling genoemd. De temperatuur daalt hierbij bijvoorbeeld van circa 55 °C naar ongeveer 50 °C, terwijl de druk ongeveer 15 bar blijft. Met de nakoeling bepalen we of al het koudemiddel in de condensor volledig is gecondenseerd.
Te weinig nakoeling:
-er komt nog gas uit de condensor
-verdamper gaat niet optimaal werkenTe veel nakoeling:
-het koudemiddel is te snel gecondenseerd
-te weinig koudemiddel in het AC-systeemNakoeling berekenen (normaal 5 tot 15 ˚C): HD_condensatietemp – T_condensoruitgang
- Bij punt 5 bereikt het koudemiddel het expansieventiel (of capillair). Hier begint de expansie. In dit component wordt de hoge druk (persdruk van ongeveer 15 bar) gescheiden van de lage druk (zuigdruk van ongeveer 2 bar);
- Van punt 5 naar punt 6 vindt de drukverlaging plaats. De druk daalt plotseling van ongeveer 15 bar naar circa 2 bar. Hierdoor daalt ook de temperatuur sterk, bijvoorbeeld van ongeveer 50 °C naar circa -10 °C. Een deel van de vloeistof verdampt direct, waardoor een mengsel van vloeistof en gas ontstaat. De enthalpie (weergegeven op de x-as) blijft hierbij vrijwel constant;
- Van punt 6 naar punt 7 stroomt het koudemiddel door de verdamper. Hier vindt verdamping plaats bij vrijwel constante druk (ongeveer 2 bar) en temperatuur (circa -10 °C). Het mengsel van vloeistof en gas wordt volledig omgezet in verzadigde damp;
- Van punt 7 naar punt 1 wordt de damp verder opgewarmd. Dit noemen we oververhitting. De temperatuur stijgt van ongeveer -10 °C naar circa 0 °C, terwijl de druk vrijwel constant blijft. Met de oververhitting bepalen we of al het koudemiddel in de verdamper volledig is verdampt.
Te weinig oververhitting:
– er komt vloeistof uit de verdamper
– groot risico voor de compressor;
Te veel oververhitting:
-het koudemiddel is te vroeg verdampt
-airco wordt niet koud genoegOververhitting berekenen (normaal 4 tot 7 ˚C): T_uitgang verdamper – LD_verdampingstemp.
Het koudemiddel bereikt punt 1 als licht oververhitte damp en wordt opnieuw aangezogen door de compressor. Het proces herhaalt zich.
Log pH-diagram:
In de vorige paragraaf werd het log ph diagram getoond met daarin het kringloopproces (van verdampen naar condenseren van het koudemiddel. De afbeelding hieronder toont de toestand van het koudemiddel bij een bepaalde druk in relatie met de enthalpy (warmteinhoud), waarin het kringproces met de donkerblauwe lijn wordt aangegeven.
Aan de linkerkant van het diagram bevindt zich het vloeistofgebied. Bij lage enthalpie verkeert het koudemiddel in vloeibare vorm. Bij toenemende enthalpie wordt de vloeistoflijn bereikt. De helling van deze lijn geeft de veranderingen in druk en enthalpie aan voor de vloeibare fase.
In het midden van het diagram bevindt zich de verzadigde dampzone. Hier is het koudemiddel in thermisch evenwicht, waarbij zowel vloeistof als damp aanwezig is.
Aan de rechterzijde zien we de verzadigde damplijn, die de grens markeert waarbij het koudemiddel volledig is verdampt en zich in een oververhitte dampfase bevindt.
Bovenin het diagram bevindt zich het kritische punt, dat de grens aanduidt tussen vloeistof en damp. Hier verdwijnt het onderscheid tussen de damp- en vloeistoffasen, waardoor het koudemiddel zich in een unieke toestand bevindt. Er is hierbij geen duidelijke overgang tussen vloeistof en damp.
Om meer inzicht te geven in het log-ph diagram, worden hieronder meerdere curven aan het diagram toegevoegd: de isentroop, isotherm, isochoor en de dampkwaliteit. In de onderstaande tekening zien we nogmaals het kringproces (grijs gekleurd) met het verloop van de andere processen. Hier volgt een korte uitleg per toestandsverandering:
Isentroop: de en isentrope lijn wordt gekenmerkt door een constante entropie. Dit betekent dat het koudemiddel tijdens een proces langs deze lijn geen warmte-uitwisseling met de omgeving heeft en geen entropieverandering ondergaat. Het is een efficiënte adiabatische (zonder warmte-uitwisseling) proceslijn in het diagram.
Isotherm: Een isotherme lijn in het log-pH-diagram vertegenwoordigt een constant temperatuurproces. Tijdens dit proces blijft de temperatuur van het koudemiddel constant, wat betekent dat er warmte wordt toegevoerd of afgenomen om de druk-enthalpie (ph) verhouding constant te houden.
Isochoor: Een isochoore lijn in het log-pH-diagram vertegenwoordigt een constant volume proces. Tijdens dit proces blijft het specifieke volume van het koudemiddel constant, wat betekent dat er geen verandering in volume optreedt. Hierdoor kan de lijn stijl omhoog of omlaag gaan in het diagram, afhankelijk van andere veranderingen zoals druk en enthalpie.
- Dampkwaliteit: In een log-pH-diagram van koudemiddel duidt de x-as het kwaliteitsbereik aan, van “x=0” (volledig vloeibaar) tot “x=1” (volledig gasvormig). Tussen deze uitersten bevindt het koudemiddel zich in een tweefasige toestand, waarbij de x-waarde de verhouding van gas tot vloeistof aangeeft. Een lijn van “x=0,10” tot “x=0,90” in het diagram geeft aan dat het koudemiddel zich binnen dit tweefasige bereik bevindt, met de specifieke x-waarde die de verdeling tussen gas en vloeistof aangeeft. Dit is cruciaal voor het begrijpen van het gedrag van het koudemiddel in toepassingen zoals koel- en airconditioningsystemen.
In de onderstaande afbeelding zien we een compleet log ph-diagram van het koudemiddel R134a.
R134a vergelijken met R1234yf:
Met behulp van het log ph-diagram kunnen verschillende soorten koudemiddelen met elkaar worden vergeleken. De volgende afbeelding toont de log ph-diagrammen en de kringloopprocessen van R134a en R1234yf.
Gerelateerde pagina: