artikel

Back to basics: principe van de mobiele airco

Techniek 5802

Willen we diagnose stellen aan een mobiel aircosysteem, dan moeten we de werking ervan kunnen doorgronden. Tja, en dan ontkomen we er niet aan, we zullen een natuurkundig basisbeginsel uit de warmteleer moeten begrijpen. Aan de slag dus.

Back to basics: principe van de mobiele airco

In 1902 ontwikkelde Willis Haviland Carrier de eerste moderne airco. “Koeling is het transporteren van warmte van waar het niet gewenst is, naar waar het geen probleem geeft”, zei Carrier. Warmtetransport dus. De formule die er in de natuurkunde voor bestaat, is een belangrijk basisbeginsel:

Q = m x c x ∆T
Waarin:
Q = energie (warmte) weergegeven in Joules.
M = massa van een bepaalde stof.
C = soortelijke warmte in J/kgK. (Dit is de hoeveelheid energie die nodig is om 1 kg van een materiaal 1 graad in temperatuur te laten stijgen.)
∆T = temperatuurverandering in Kelvin. (De verandering in °Kelvin is gelijk aan de verandering in °Celcius)

Experiment

We verduidelijken het proces van warmtetransport aan de hand van een experiment. We vullen een beker tot de helft met water. Deze beker sluiten we af met een dop die vrij kan bewegen in de beker. De druk boven de dop is gelijk aan de buitenluchtdruk. Deze beker plaatsen we op een warmtebron (energiebron) met een temperatuur van 130 °C. We gaan de beker met inhoud verwarmen en doorlopen daarmee drie situaties.

Situatie 1 (Beker A en B): onderkoeld

De beker is half gevuld met water, de aggregatietoestand van het water is onderkoeld. We verwarmen het water door de warmtebron aan te zetten. Volgens de formule ontstaat er een energietransport van de warmtebron richting het water als er een temperatuurverschil is tussen het water en de warmtebron. Daarbij heeft het water de laagste temperatuur. In het hele traject blijft het water vloeibaar en stijgt de temperatuur tot aan het kookpunt.
Resultaat: de temperatuur neemt toe, het water zet niet uit en de dop verschuift niet.

Situatie 2 (Beker C en D): damp-vloeistof

Het water in de beker heeft nu 100 °C bereikt en gaat koken. Het water in de beker verandert nu van aggregatietoestand, namelijk van vloeistof, naar damp en vloeistof (verzadigde damp). Wat opvalt: tijdens dit hele kooktraject blijft het water een temperatuur houden van 100 °C. Daarnaast valt op dat het water uitzet, omdat dezelfde hoeveelheid water in dampvorm meer ruimte nodig heeft.
Resultaat: de temperatuur blijft gelijk, het water zet uit en de dop schuift omhoog.

Situatie 3 (Beker E): oververhit

Experiment met een beker water met beweegbare dop. Q is de warmte die het plaatje met een temperatuur van 130 °C toevoert. In A en B is het water onderkoeld. In E is het oververhit. In C en D is de aggregatietoestand water-damp. Alleen daar neemt het volume toe met de temperatuur. Bij een vaste dop geeft dat een relatie tussen druk en temperatuur. Experiment met een beker water met beweegbare dop. Q is de warmte die het plaatje met een temperatuur van 130 °C toevoert. In A en B is het water onderkoeld. In E is het oververhit. In C en D is de aggregatietoestand water-damp. Alleen daar neemt het volume toe met de temperatuur. Bij een vaste dop geeft dat een relatie tussen druk en temperatuur.

Het water in de beker is nog steeds 100 °C maar is nu geheel overgegaan naar gas. Er is geen vloeibaar water meer in de beker. Nu stijgt de temperatuur van het gas verder. Volgens de formule is er energietransport mogelijk totdat het temperatuurverschil is opgeheven. Dat is in dit voorbeeld bij 130 °C. De aggregatietoestand van het water noemen we nu oververhit (oververhitte stoom).
Resultaat: de temperatuur loopt op, het water (gas) zet niet verder uit en de dop verschuift niet.

Nu doen we hetzelfde experiment, maar dan met de dop vast.

Situatie 1: onderkoeld

De temperatuur van het water loopt op van 20 °C tot 100 °C, maar omdat de aggregatietoestand niet verandert, zet het water niet uit. De druk in de beker blijft dus gelijk, ondanks dat de dop vast zit.
Resultaat: er is geen relatie tussen druk en temperatuur.

Principeschema van de mobiele airco-installatie. Let op de drukken en temperaturen van het koudemiddel.

Principeschema van de mobiele airco-installatie. Let op de drukken en temperaturen van het koudemiddel.

Situatie 2: damp-vloeistof

De temperatuur van het water blijft in eerste instantie gelijk, het water verandert van aggregatietoestand en zet dus uit. De dop zit vast, dat betekent dat de druk in de beker stijgt en daarmee ook de kooktemperatuur. (Het kookpunt van water bij een overdruk van 1 bar is ongeveer 120 °C). Dit verschijnsel zien we terug bij het gesloten koelsysteem.
Resultaat: er is nu een relatie tussen druk en temperatuur.

Situatie 3: oververhit

De temperatuur van het gas (stoom) is 120 °C, maar loopt verder op tot 130 °C. Omdat de aggregatietoestand niet verandert, zet het gas niet verder uit. De druk in de beker blijft gelijk aan de einddruk van situatie 2, ondanks dat de dop vast zit.
Resultaat: er is geen relatie tussen druk en temperatuur.

Nu we dit weten, gaan we naar de onderdelen van de mobiele airco-installatie.

Koudemiddel is 1 °C

De verdamper is geplaatst in het interieur en moet de binnenstromende lucht koelen. De effectieve druk in de verdamper kan in bedrijf variëren tussen 1,5 en 3 bar. De toestand van het koudemiddel in de verdamper is damp-vloeistof. Dit kunnen we vergelijken met de situatie in beker 2 met vaste dop, het koudemiddel kookt. R134a heeft bij een effectieve druk van 2 bar een kookpunt van 1 °C. In een airco-installatie met een continue zuigdruk van 2 bar, is de temperatuur van het koudemiddel in de verdamper dus ongeveer 1 °C.

Oververhitting

De lucht die het voertuig binnenstroomt, kan op een zomerse dag 30 °C zijn. De ΔT is dan 29 °C. Energie uit de buitenlucht verplaatst zich richting het koudemiddel. Dit betekent dat al het koudemiddel in de verdamper kookt met een constante temperatuur van 1°C totdat al het koudemiddel in de verdamper is verdampt. Dan is de situatie in beker 3 met vaste dop bereikt. Het koudemiddel is gasvormig en de aggregatietoestand is oververhit. Dat betekent dat de temperatuur van het koudemiddel weer kan toenemen terwijl de druk van het koudemiddel 2 bar blijft.

De temperatuur van het koudemiddel dat de verdamper verlaat, is bij een juist afgevulde installatie ongeveer 6 tot 8 °C. Het temperatuurverschil tussen het koudemiddel in het midden van de verdamper en dat aan het uiteinde noemen we oververhitting. Omdat er veel energie onttrokken wordt aan de instromende buitenlucht koelt die sterk af. Dat geeft een uitstroomtemperatuur van ongeveer 5°C.

De compressor is geen pomp

De compressor perst het koudemiddel van de verdamper naar de condensor. Hij wordt aangedreven door de verbrandingsmotor of een elektromotor. De compressor is zo geconstrueerd dat hij alleen gas verpompt en geen vloeistof, vandaar de naam aircocompressor en niet aircopomp. Hij comprimeert het gas en stopt zo energie in het koudemiddel. De warmte-inhoud, de druk en de temperatuur van het koudemiddel nemen toe. De opbrengst van de compressor bepaalt in grote mate de zuigdruk en is afhankelijk van het toerental en/of de effectieve zuigerslag.

Oververhitting: Hoeveel graden is het koudemiddel boven de kooktemperatuur bij de zuigdruk van de compressor? Nakoeling: Hoeveel graden is het koudemiddel onder de kooktemperatuur bij de persdruk van de compressor?

Oververhitting: Hoeveel graden is het koudemiddel boven de kooktemperatuur bij de zuigdruk van de compressor?
Nakoeling: Hoeveel graden is het koudemiddel onder de kooktemperatuur bij de persdruk van de compressor?

Nakoeling in de condensor

Het gecomprimeerde koudemiddel stroomt nog steeds gasvormig (oververhit) door de persleiding naar de condensor. Door het comprimeren is het koudemiddel warmer dan de buitenlucht. Volgens de formule stroomt er dan energie uit het koudemiddel via de koelribben van de condensor naar de buitenlucht. Het koudemiddel koelt af en verandert weer van aggregatietoestand. Het gaat van oververhit (situatie 3) boven in de condensor terug naar damp-vloeistof (situatie 2) in het midden van de condensor. Daar zijn druk en temperatuur dus weer aan elkaar gerelateerd.

Hoe meer energie het koudemiddel heeft opgenomen in de verdamper, hoe meer er vrij komt in de condensor. De temperatuur in de condensor kan dus behoorlijk oplopen. Daarmee loopt de druk ook op. Voor R134a geldt een kookpunttemperatuur van 50 °C bij een effectieve druk van 12 bar. De druk van het koudemiddel aan de hogedrukzijde is dus

afhankelijk van de energie die vrijkomt en hoe snel die wordt opgenomen door de langsstromende buitenlucht. Voor het hele gebied in de condensor waar het koudemiddel uit damp-vloeistof bestaat is de temperatuur 50 °C bij een persdruk van 12 bar. Als de condensor voldoende capaciteit heeft, stroomt er voldoende energie uit het koudemiddel weg. Het koudemiddel gaat over van damp-vloeistof naar vloeistof (situatie 1).

Als het koudemiddel weer volledig vloeibaar is geworden, zakt de temperatuur van het koudemiddel weer, zonder dat de druk zakt. Het koudemiddel is in dit geval weer onderkoeld. Het temperatuurverschil tussen het koudemiddel in het midden van de condensor en dat aan het uiteinde noemen we nakoeling.

Drukval in het expansieventiel

Het koudemiddel verlaat vloeibaar de condensor en bereikt via de vloeistofleiding en het droger/filter het expansieventiel. Het expansieventiel zorgt voor een scheiding tussen het lage- en hogedrukgedeelte.

Aan de ene kant van het expansieventiel staat in ons voorbeeld een persdruk van 12 bar en aan de andere kant een zuigdruk van 2 bar. Omdat het koudemiddel door een zeer nauwe doorgang moet en daardoor sterk in druk verlaagt, expandeert het en verdampt het uit zichzelf. Dit noemen we flashgas. Het koudemiddel kookt nu en blijft koken als er via de verdamper voldoende energie beschikbaar is. De cyclus begint weer opnieuw.

Airco in grafiek

Het log P-h diagram maakt het werkingsprincipe van de airco-installatie grafisch inzichtelijk. Het log geeft, op elk moment in de koelcyclus, de verhoudingen weer tussen de druk en de warmte-inhoud (enthalpie) van het koudemiddel. Zo geeft het log P-h diagram de eigenschappen van het koudemiddel weer. Op de y-as staat de absolute druk in logaritmische schaal. Op de x-as staat de opgenomen of afgegeven warmte van het koudemiddel. In de grafiek zien we de drie aggregatietoestanden terug. Links van de parabool (aangegeven in rood) is het koudemiddel vloeibaar, binnen de parabool bestaat het koudemiddel uit damp-vloeistof en rechts van de parabool is het gasvormig. Deze situatie geldt voor een absolute druk lager dan 40 bar (4,0 MPa) (effectief 39 bar), de top van de parabool. (lees verder onder de grafiek)

Bij punt 1 komt vloeibaar koudemiddel de verdamper binnen. Het verdampt tot in punt 2, waar het volledig is omgezet in gas. Punt 2 tot punt 3 geeft de oververhitting van het gas weer op het einde van de verdamper. De druk blijft hier gelijk en de temperatuur neemt toe. Deze oververhitting is noodzakelijk om er zeker van te zijn dat echt alle vloeistof wordt omgezet naar gas. Zou de compressor vloeistof aanzuigen, dan loopt hij schade op door ‘waterslag’. De compressor zuigt het gasvormig koudemiddel aan en perst het samen van punt 3 tot punt 4. Druk en temperatuur nemen toe. In de condensor koelt het koudemiddel af. Tot punt 5 is het nog gasvormig. Tussen punt 5 en 6 condenseert het koudemiddel en is het damp-vloeistof. Na punt 6 is het volledig vloeibaar. Onderkoeling van het vloeibaar koudemiddel vindt plaats van punt 6 tot punt 7 aan het einde en na de condensor. Door de onderkoeling is zeker dat al het gas is omgezet in vloeistof. Van punt 7 tot punt 1 ondergaat het vloeibaar koudemiddel een drukverlaging door het expansieventiel. Dat laat het koudemiddel expanderen zodat er een mengsel van gas en vloeistof naar de verdamper gaat, waarna de koelcyclus zich herhaalt.
Reageer op dit artikel