NL1007346C2

NL1007346C2 - Werkwijze voor het bedrijven van een koelinrichting en een koelinrichting.

Info

Publication number: NL1007346C2
Application number: NL1007346A
Authority: NL
Inventors: Cornelis Doomernik
Original assignee: Doomernik Ice B V
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 1999-05-04
Also published as: DE69805319D1; AU9766698A; DE69805319T2; WO1999020958A1; DK1025404T3; BR9813258A; ES2175805T3; EP1025404A1; ATE217410T1; EP1025404B1

Description

Titel: Werkwijze voor het bedrijven van een koelinrichting en een koelinrichting.

De onderhavige uitvinding betreft een werkwijze voor het bedrijven van een koelinrichting, door middel van een kringloop van een koudemiddel, waarbij voor het 5 condenseren van dat koudemiddel in die kringloop een koelwaterkringloop wordt gebruikt, waarin een verdampingscondensor is opgenomen, waarbij verdampingsverliezen van die condensor worden aangevuld met behulp van suppletiewater, dat wordt aangevoerd vanaf een bron, waarbij het suppletiewater naar de condensor wordt toegevoerd via een warmtewisselaar, met behulp waarvan het 10 koudemiddel in de kringloop van het koudemiddel wordt onderkoeld.

Moderne industriële koelinstallaties zijn tegenwoordig meestal uitgerust met verdampingscondensors of met een combinatie van koeltorens en water gekoelde condensers, voor het afvoeren van de condensatiewarmte. In dergelijke 15 koelinstallaties wordt de koelkringloop gevormd door een vloeistofvat van waaruit koelmiddel wordt toegevoerd aan een verdamper. Daarin verdampt het koelmiddel en onttrekt het warmte aan de omgeving. Het verdampte koelmiddel wordt vervolgens met een compressor toegevoerd aan een verdampingscondensor, waarin het koelmiddel wordt gecondenseerd. Tenslotte wordt het koelmiddel weer toegevoerd 20 aan het vloeistofvat. Zoals gezegd kan de verdampingscondensor ook bestaan uit de combinatie van een koeltoren en een water gekoelde condenser.

Een werkwijze volgens de in de aanhef genoemde soort is bekend uit het Zwitserse octrooi 392.576. Volgens deze bekende werkwijze wordt gekoeld met behulp van een 25 koudemiddel dat stroomt in een afgesloten koelkring met daarin een expansievat en een compressor en een warmtewisselaar. Door de warmtewisselaar stroomt tevens koelwater, dat in de warmtewisselaar wordt verwarmd en dat de warmte afgeeft in een verdampingscondensor.

Om het watemiveau in de gebruikte verdampingscondensor op peil te houden wordt 30 min of meer continu suppletiewater gedoseerd in de vergaarbak van de condenser. Het suppletiewater wordt via een recirculatiepomp in het wateromloopcircuit opgenomen.

Het suppletiewater heeft in de regel een aanvoertemperatuur van 10 tot 15’C

1007346 2 (bronwater of leidingwater). Deze temperatuur is lager dan de temperatuur van het water in de watervergaarbak. Omdat de massaverhouding tussen het suppletiewater en het omloopwater in het algemeen minimaal 1 : 50 bedraagt, heeft de relatief lage temperatuur van het suppletiewater vrijwel geen meetbare invloed op het 5 thermodynamische gedrag van de condenser. De eigenschap dat het suppletiewater relatief koud is wordt volgens het genoemde Zwitserse octrooi benut doordat het suppletiewater vanaf een bron naar de vergaarbak van de verdampingscondensor wordt toegevoerd via een warmtewisselaar, waarin het koelmiddel, dat in de koelkringloop stroomt vanuit het vloeistofvat naar de verdamper, wordt gekoeld door 10 het suppletiewater, dat daarbij opwarmt.

Met de bekende werkwijze wordt bereikt dat het relatief koude suppletiewater wordt gebruikt in het hoogwaarde gedeelte van een koelkringloop. De feitelijke warmte-uitwisseling die plaats vindt tussen het relatief koude suppletiewater en het 15 koelmiddel in de koelkringloop wordt niet gemeten.

Het doel van de onderhavige uitvinding is om te voorzien in een werkwijze waarbij de warmtewisseling die plaats vindt tussen het relatief koude suppletiewater en het koelmiddel gebruikt kan worden om meer inzicht te krijgen in het gedrag en de 20 efficiency van de koelinrichting.

Dat doel wordt in de onderhavige uitvinding bereikt doordat de werkwijze de volgende stappen omvat: - het meten van de toegevoerde hoeveelheid suppletiewater in de vergaarbak van de 25 verdampingscondensor en/of de koeltoren, - het meten van het temperatuurverschil van het suppletiewater voordat het gebruikt wordt voor het afkoelen van het koelmiddel, en nadat het is gebruikt voor het afkoelen van het koelmiddel, - het berekenen van de aan het water toegevoerde hoeveelheid warmte, 30 - het meten van het verschil in temperatuur van het koelmiddel voordat het met suppletiewater wordt gekoeld, en nadat het met suppletiewater is gekoeld, - het bepalen van het koelmiddelgewicht aan de hand van de berekende hoeveelheid aan het water toegevoerde warmte en het gemeten temperatuurverschil van het 0Π · ' 4 6- 3 koelmiddel, - het meten van respectievelijk de zuigdruk (Po) en de condensordruk (Pc) van het koelmiddel, - het met behulp van de gemeten waarden voor de zuigdruk (Po) en de 5 condensordruk (Pc) en het koelmiddelgewicht bepalen van de momentane koelcapaciteit (Qo), - en het naar behoefte weergeven van deze momentane koelcapaciteit (Qo).

Daarbij is het voordelig dat het suppletiewater vanuit de bron via de warmtewisselaar 10 naar de condensor wordt gevoerd.

Door de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding, kan dus de koelcapaciteit Qo berekend worden aan de hand van een stromingsmeter van suppletiewater en een temperatuurmeting van het suppletiewater. Zowel de stromingsmeting van het 15 suppletiewater als de temperatuurmeting kunnen met een zeer hoge nauwkeurigheid worden uitgevoerd. Dat betekent ook dat de momentane koelcapaciteit Qo zeer nauwkeurig kan worden berekend. In inrichtingen volgens de stand van de techniek moet de koelcapaciteit worden berekend aan de hand van een meting van de flow van koelmiddel die stroomt vanaf het vloeistofvat naar de verdamper. Het feit dat in deze 20 leiding een meter geplaatst moet worden betekent een extra belemmering in deze leiding. Bovendien kan het voorkomen dat door deze leiding niet alleen koelmiddel stroomt in vloeistoffase maar ook in gasfase. Het nauwkeurig meten van deze koelmiddelflow is daarom in de praktijk moeilijk en niet nauwkeurig uit te voeren. Door de maatregelen volgens de onderhavige uitvinding wordt dus de complexe, dure 25 en onnauwkeurige meting van de koelmiddelflow vervangen door een eenvoudig uitvoerbare en nauwkeurige meting van de suppletiewaterflow en de temperatuurverandering van het suppletiewater.

Volgens de onderhavige uitvinding is het bovendien mogelijk dat de werkwijze de 30 stap omvat van: - het berekenen van de momentane prestatie (COP-waarde) van de koelinrichting,

Met behulp van de onderhavige uitvinding is het verder mogelijk dat de werkwijze de 1007346 4 volgende stappen omvat: - het bepalen van een gewenste maximale indikkingsfactor voor het water in de vergaarbak, - het met behulp van de waarde voor Po, Pc en het koelmiddelgewicht bepalen van 5 de belasting van de condenser (Qc), - het op basis van de berekende belasting van de condenser (Qc) en de vooraf bepaalde indikkingsfactor bepalen van de juiste hoeveelheid suppletiewater, - en het naar behoefte bijstellen van de hoeveelheid suppletiewater die per tijdseenheid stroomt naar de vergaarbak.

10

Het grote voordeel van deze werkwijze is, dat hiermee het watergebruik wordt geoptimaliseerd. In koelinstallaties volgens de stand van de techniek wordt meestal, onafhankelijk van de werkelijk benodigde hoeveelheid suppletiewater, continu een stroom suppletiewater toegevoerd aan de vergaarbak van de verdampingscondensor. 15 Om de maximaal toelaatbare toename van de hoeveelheid zouten in het water in de watervergaarbak (de zogenaamde indikkingsfactor) voldoende te beperken, stroomt daarom ook een continue hoeveelheid afvalwater vanuit de vergaarbak naar het riool. Door de hierboven genoemde werkwijze volgens de onderhavige uitvinding, wordt slechts de benodigde hoeveelheid suppletiewater, die is aangepast aan de momentane 20 prestaties van de koelinstallatie aan de watervergaarbak toegevoerd. Overmatig, en onnodig watergebruik wordt daarmee vermeden.

Bovendien is het mogelijk dat de inspuiting van het koelmiddel vanuit het vloeistofvat naar die warmtewisselaar modulerend plaatsvindt.

25 Het suppletiewater wordt namelijk vrijwel continu naar de watervergaarbak gevoerd. Wanneer nu het koelmiddel via een afwisselend open en gesloten leiding vanaf het vloeistofvat in de koelkringloop wordt ingebracht, stroomt er, wanneer de leiding gesloten is, geen koelmiddel door de warmtwisselaar, en gaat op die momenten de mogelijke koelcapaciteit van het toegevoerde suppletiewater alsnog verloren.

De onderhavige uitvinding betreft bovendien een koelinrichting bestemd voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding.

too 73 4ö 30 5

De onderhavige uitvinding wordt verder uitgelegd aan de hand van de bijgaande tekeningen waarin:

Figuur 1 een overzicht geeft van een industriële koelinstallatie volgens de stand van de techniek.

5 Figuur 2 een schematisch overzicht geeft van een koelinstallatie volgens de onderhavige uitvinding.

Figuur 3 het log P-H-diagram weergeeft van een mogelijke koelinstallatie volgens de onderhavige uitvinding waarin NH3 als koelmiddel gebruikt wordt.

In figuur 1 wordt schematisch een koelinstallatie 1 weergegeven die in de stand van 10 de techniek veel wordt gebruikt. Deze koelinstallatie omvat een kringloop van koelmedium met daarin een vloeistofvat 2, een verdamper 3 en een schroefcompressor 4 en een oliekoeler 5. Het koelmiddel wordt met behulp van een schroefcompressor toegevoerd aan een verdamp ingscondensor 6. Deze verdampingscondensor wordt gevoed met behulp van water uit een watervergaarbak 15 7. Om het watemiveau in deze watervergaarbak 7 op peil te houden wordt suppletiewater toegevoerd met behulp van een leiding 8, vanuit een bron (niet weergegeven).

In de verdampingscondensor treedt in de regel enige onderkoeling op van de koelvloeistof. Daardoor treedt deze vloeistof enige graden onder de 20 condensatietemperatuur binnen in het vloeistofvat van de koelvloeistof.

In de meeste, moderne koelinstallaties wordt de compressiestap in de kringloop van het koelmiddel uitgevoerd door schroefcompressoren. Deze worden gekoeld met behulp van oliekoelers, waaraan dikwijls met een thermosyfonsysteem koelvloeistof uit het vloeistofvat wordt toegevoerd. Door warmte uitwisseling met de oliekoelers 25 zal het koelmiddel verdampen. Het opgewarmde koelmiddel wordt vervolgens teruggeleid in het vloeistofvat.

In figuur 2 is een koelinrichting 20 weergegeven volgens de onderhavige uitvinding. Naast de al in figuur 1 besproken elementen omvat de koelinrichting 20 een 30 warmtewisselaar 21. De warmtewisselaar 21 is enerzijds verbonden is met de toevoerleiding van het bron- of leidingwater 22 en anderzijds verbonden is met de uitstroomleiding 23 van het vloeistofvat 2. In de warmtewisselaar 21 zal het koelmiddel door het relatief koude suppletiewater worden gekoeld voordat het 1007346 6 koelmiddel wordt aangeleverd aan de verdamper 3. Door deze maatregel zal de koelcapaciteit van de koelinrichting 20 toenemen.

Het relatief koude suppletiewater wordt gebruikt in het relatief "hoogwaardige" gedeelte van de koelkringloop. Bij de inspuiting namelijk van een koelmiddel vanuit 5 het vloeistofvat 2 naar de verdamper 3, zal de druk van het koelmiddel dalen van een relatief hoge condensordruk naar de lagere verdamperdruk. Een gedeelte van het koelmiddel verdampt daardoor al, voordat het kan bijdragen aan het feitelijke koelproces. Het gedeelte van het koelmiddel dat in deze fase verdampt wordt ook wel de flashdamp genoemd. Door nu het suppletiewater te gebruiken om het 10 koelmiddel te koelen, dat stroomt vanaf het vloeistofvat 2 naar de verdamper, zal de hoeveelheid flashdamp kleiner worden en daardoor neemt de koelcapaciteit van het koelmiddel toe zonder dat hiervoor extra energie anders dan het koelpotentieel van het suppletiewater wordt ingezet.

De bijdrage van het relatief koude suppletiewater in het gedeelte van het koelproces 15 tussen het vloeistofvat en de verdamper is veel hoger dan wanneer het suppletiewater direct aan de watervergaarbak 7 van de condenser zou worden toegevoerd. Dat komt doordat door de massaverhouding van het suppletiewater en het omloopwater die in het algemeen minimaal 1 : 50 bedraagt, het relatief koude suppletiewater vrijwel geen meetbare invloed heeft op het thermodynamische gedrag van de condenser 6.

20 Bovendien is het mogelijk dat de inspuiting van het koelmiddel vanuit het vloeistofvat naar die warmtewisselaar modulerend plaatsvindt.

Het suppletiewater wordt namelijk vrijwel continu naar de watervergaarbak gevoerd. Wanneer nu het koelmiddel via een afwisselend open en gesloten leiding vanaf het vloeistofvat in de koelkringloop wordt ingebracht, stroomt er, wanneer de leiding 25 gesloten is, geen koelmiddel door de warmtewisselaar, en gaat op die momenten de mogelijke koelcapaciteit van het toegevoerde suppletiewater alsnog verloren.

Met behulp van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding is het mogelijk dat de toevoer van suppletiewater aan de watervergaarbak 7, door de leiding 8 te meten. 30 Bovendien wordt van het suppletiewater de temperatuur gemeten voordat het suppletiewater in de leiding 8 de warmtewisselaar instroomt, en nadat het suppletiewater uit de warmtewisselaar 21 is gestroomd. Deze temperatuurmetingen en de flowmeting van het suppletiewater leveren samen totaal aan het water toegevoerde 100^348 7 hoeveelheid warmte. Bovendien kan in de leiding 23 het verschil in temperatuur worden gemeten van het koelmiddel voordat het koelmiddel in de leiding 23 met het suppletiewater is gekoeld, en nadat het met het suppletiewater is gekoeld. Aan de hand van deze metingen en de berekende hoeveelheid aan het water toegevoerde 5 warmte, kan het koelmiddelgewicht worden bepaald.

Vervolgens worden respectievelijk de zuigdruk Po en de condensordruk Pc in de koelinrichting gemeten. Met behulp van de gemeten waarde voor de zuigdruk Po en de condensordruk Pc en het bepaalde koelmiddelgewicht, kan de momentane 10 koelcapaciteit Qo worden bepaald. Dat betekent dus dat te allen tijde een koelcapaciteit van de koelinrichting 20 bekend is. Deze momentane koelcapaciteit Qo kan naar behoefte worden weergegeven, bijvoorbeeld op een bedieningspaneel.

De onderhavige werkwijze kan ook worden benut voor het optimaliseren van de 15 toevoer van suppletiewater aan de verdampingscondensor te optimaliseren. Dat gaat als volgt: op basis van een eenmalige hardheidsmeting van het suppletiewater wordt een gewenste indikkingsfactor bepaald, bijvoorbeeld 2. De indikkingsfactor is de maximaal toelaatbare toename van de hoeveelheid zouten in het water dat zich in de 20 watervergaarbak bevindt.

Tijdens het gebruik van de inrichting 20 wordt de waterhoeveelheid in de watervergaarbak 7 continu gemeten. Bovendien wordt het verschil in temperatuur gemeten van het water dat stroomt via de toevoerleiding 22 naar de warmtewisselaar 25 21 voordat dit water de warmtewisselaar bereikt, en nadat het water uit de warmtewisselaar 21 is gestroomd.

Op basis van deze temperatuurmeting wordt de aan het water toegevoerde hoeveelheid warmte berekend.

30

Vervolgens wordt het temperatuurverschil van het koelmiddel voordat het de warmtewisselaar instroomt en nadat het de warmtewisselaar is uitgestroomd gemeten. Met behulp van de berekende hoeveelheid warmte die in de warmtewisselaar 21 aan 1007346 8 het water wordt toegevoerd, wordt het koelmiddelgewicht bepaald.

Vervolgens worden respectievelijk de zuigdruk Po en de condensordruk Pc van het koelmiddel gemeten.

5

Met behulp van de waarden voor Po, Pc en het koelmiddelgewicht worden respectievelijk de momentane koelcapaciteit Qo en de belasting van de condenser Qc bepaald.

10 Op basis van de berekende Qc en de vooraf bepaalde indikkingsfactor wordt vervolgens de juiste hoeveelheid suppletiewater bepaald.

Wanneer daar reden voor is, wordt aan de hand van de berekende hoeveelheid suppletiewater de hoeveelheid toe te voeren suppletiewater bijgesteld die per 15 tijdseenheid stroomt naar de vergaarbak bijgesteld.

De hierboven genoemde acties kunnen uiteraard continu plaats vinden waardoor de juiste hoeveelheid water doorlopend wordt geregeld en de vloeistof optimaal wordt onderkoeld.

20

Om de werking en het voordeel van de onderhavige koelinrichting te verduidelijken wordt aan de hand van figuur 3 het volgende rekenvoorbeeld gegeven: Stel dat de koelinrichting 20 volgens de onderhavige uitvinding werkt met NH3, waarvoor geldt:

25 Qo = 1000 kW

to = -10°C (verdampingstemperatuur) tc = +35°C (condensatietemperatuur).

De koelkringloop die geldt wordt weergegeven in het log P-H diagram zoals 30 afgebeeld in figuur 3.

Het per uur omlopende koelmiddelgewicht bedraagt: ICO 73 9 1000 X 3600 -.....—- = 3312 kg/hr (1449-362) 5 3312 (1680-362

Aan condensatiewarmte af te voeren...............= 1212 kW

vermogen 3600

Volgens de "vuistregel" dat per kWh af te voeren condensorwarmte circa 3 kg 10 suppletiewater wordt verbruikt (indikkingsfactor « 2), geldt dat het suppletiewaterverbruik is: 1212 x 3 = 3636 kg/hr.

Stel dat de opwarming van het suppletiewater plaats vindt van 12°C naar 32°C, dan kan aan onderkoelingswarmte 3636 (32-12) 4.2

15 ...............— = 84,8 kW

3600 worden afgevoerd ofwel per kg omlopend koelmiddel 84,8 x 3600

-----------= 92 kJ ofwel het koelmiddel wordt onderkoeld tot 15°C

20 3312

De koelcapaciteit Qo neemt toe van 1000 kW tot (1000 + 84,8) = 1084,8 kW. Dat betekent dat de koelcapaciteit ruim 8% toeneemt zonder dat hiervoor extra energie anders dan het koelpotentieel van het suppletiewater wordt ingezet.

Een interessante applicatie is ook mogelijk bij watergekoelde koelsystemen voor 25 airconditioning-doeleinden. Deze systemen worden in de regel gecombineerd met koeltorens. Door het plaatsen van een vloeistofonderkoeler tussen de condenser en de verdamper vóór het inspuitorgaan (thermostatisch expansieventiel, hoge druk vlotter of smooropening) kan hetzelfde resultant worden bereikt als hiervoor beschreven is en zijn capaciteitsverhogingen van 8 tot 10% praktisch te verwezenlijken. Uiteraard 30 zou de besturing op dezelfde wijze plaats moeten vinden als hiervoor beschreven is.

1007346

Claims

1. Werkwijze voor het bedrijven van een koelinrichting, door middel van een kringloop van een koudemiddel, waarbij voor het condenseren van dat koudemiddel in die kringloop een koelwaterkringloop wordt gebruikt, waarin een 5 verdampingscondensor is opgenomen, waarbij verdampingsverliezen van die condensor worden aangevuld met behulp van suppletiewater, dat wordt aangevoerd vanaf een bron, waarbij vanuit die bron water wordt toegevoerd naar een warmtewisselaar, met behulp waarvan het koudemiddel in de kringloop van het koudemiddel wordt onderkoeld, met het kenmerk, dat de werkwijze de volgende stap 10 omvat: - het meten van de toegevoerde hoeveelheid water door de warmtewisselaar, - het meten van het temperatuurverschil van het suppletiewater voordat het gebruikt wordt voor het afkoelen van het koelmiddel, en nadat het is gebruikt voor het afkoelen van het koelmiddel, 15. het berekenen van de aan het water toegevoerde hoeveelheid warmte, - het meten van het verschil in temperatuur van het koelmiddel voordat het met suppletiewater wordt gekoeld, en nadat het met suppletiewater is gekoeld, - het bepalen van het koelmiddelgewicht aan de hand van de berekende hoeveelheid aan het water toegevoerde warmte en het gemeten temperatuurverschil van het 20 koelmiddel, - het meten van respectievelijk de zuigdruk (Po) en de condensordruk (Pc) van het koelmiddel, - het met behulp van de gemeten waarden voor de zuigdruk (Po) en de condensordruk (Pc) en het koelmiddelgewicht bepalen van de momentane 25 koelcapaciteit (Qo), - en het naar behoefte weergeven van deze momentane koelcapaciteit (Qo).

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het suppletiewater vanuit de bron via de warmtewisselaar naar de condensor wordt gevoerd. 30

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de werkwijze de stap omvat van: - het berekenen van de momentane prestatie (COP-waarde) van de koelinrichting. 1007346

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat deze werkwijze de volgende stappen omvat: -het bepalen van een gewenste maximale indikkingsfactor voor het water in de 5 vergaarbak, -het met behulp van de waarde voor Po, Pc en het koelmiddelgewicht bepalen van de belasting van de condensor (Qc), -het op basis van de berekende belasting van de condensor (Qc) en de vooraf bepaalde indikkingsfactor bepalen van de juiste hoeveelheid suppletiewater, 10 -en het naar behoefte bijstellen van de hoeveelheid suppletiewater die per tijdseenheid stroomt naar de vergaarbak.

5. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat inspuiting van het koelmiddel vanuit het vloeistofvat naar die warmtewisselaar 15 modulerend plaatsvindt.

6. Koelinrichting, bestemd voor het uitvoeren van de werkwijze volgens één van de bovenstaande conclusies. i L ' '