Alles over thermosyphon

Thermosyphon is een methode van warmte-uitwisseling die is gebaseerd op natuurlijke circulatie. Het laat vloeibaar koudemiddel over een warmtewisselaar circuleren zonder gebruik te maken van een mechanische pomp. In koelsystemen vindt natuurlijke circulatie bijna altijd plaats in een gesloten circuit. Toepassingen zijn voornamelijk te vinden in (semi-)industriële systemen die met ammoniak als koudemiddel werken. Thermosyphon-systemen kunnen met een klein temperatuurverschil werken, zijn over een grote capaciteitsrange regelbaar, vereisen geen complexe regelingen en passen prima in een concept met een kleine laag koudemiddelvulling.

Een natuurlijke circulatiesysteem bestaat uit een verdamper en een vloeistofafscheider. De verdamper kan zijn uitgevoerd als een spiraal (luchtkoeler), buizen (shell & tube) of platen (platenwisselaar, falling film). Vloeistofafscheiders zijn er in vele vormen (traditionele zwaartekracht, HAM, cycloon, demistors, etc.) maar hebben allemaal tot doel de druppels uit de verdamper af te scheiden en de vloeistoffluctuaties als gevolg van wisselende capaciteiten op te nemen. Praktijkvoorbeelden van veel voorkomende toepassingen zijn oliekoeling, water of glycolkoeling en NH₃/CO₂-cascadecondensors.
      
Statische hoogte
Drijvende kracht achter de werking van een thermosyphon-systeem is de zwaartekracht en de verhouding tussen en het soortelijk gewicht van de ingaande vloeistof aan de intrede en het (natte) zuiggas aan de uittrede.

P statisch valleiding – ΔP vloeistofleiding
≥
ΔP warmtewisselaar + ΔP natretourleiding

P statische hoogte (valleiding) = ρ g h
Waarin ρ de dichtheid is van de vloeistof (kg/m³) en h het hoogteverschil tussen het vloeistofniveau in de afscheider en de inlaat van de warmtewisselaar (m).
ΔP vloeistofleiding bestaat uit leidingweerstand en appendages zoals een handafsluiter of regelventiel.
ΔP warmtewisselaar is de weerstand aan de koudemiddelzijde van de warmtewisselaar. De berekening van de weerstand in warmtewisselaars met faseveranderingen is uiterst gecompliceerd. Hij moet dan ook altijd door de fabrikant worden opgegeven. Hierbij is het ook van belang te weten of de fabrikant alleen de wrijvingsdrukverliezen opgeeft, of dat hierbij ook al de statische drukverliezen zijn opgeteld.
ΔP natretourleiding bestaat uit leidingweerstand en appendages zoals een handafsluiter of regelventiel.

Ontwerp leidingwerk
Bij het ontwerp van een thermosyphon-systeem moet altijd aandacht worden besteedt aan het ontwerp van het leidingwerk. Wanneer de leidingdiameter van de retourleiding te groot is geselecteerd, kan de stroming onregelmatig worden, waardoor de verdamper slecht gaat werken. De tweefase-retourleiding moet bij voorkeur een ringvormige (annular) stroming hebben. Turbulente stroming met grote gasbellen, ook wel slug of chern flow genoemd, moet worden vermeden. In extreme gevallen kan de circulatie stoppen of zelfs een omgekeerde stroming ontstaan, waarbij de verdamper 'droog' kookt. Bij een te kleine diameter of te veel bochten en kleppen zal de totale drukval zo hoog worden dat de natuurlijke circulatie niet kan worden gehandhaafd. Het kan zelfs leiden tot een verstikking van de stroming.

Circulatievoud
Een thermosyphon-systeem werkt als een 'flooded' systeem. Er circuleert meer vloeistof over de wamtewisselaar dan er verdampt. Hierdoor vindt in de verdamper een goede distributie van het koudemiddel plaats, en werkt hij optimaal. Hoe hoger het circulatievoud zal liggen, hoe hoger de weerstand over de warmtewisselaar en leidingwerk zal zijn. Hier ontstaat op een zeker moment een evenwicht. Waar dit punt zal liggen en hoe hoog het circulatievoud dan zal zijn, is moeilijk te voorspellen. Het is wel meetbaar met een flowmeter en kan zelfs, indien gewenst, worden beïnvloed door een (hand-)regelventiel in de vloeistofleiding te plaatsen. In de natretourleiding tussen de verdamper en de afscheider mag geen regelventiel worden geplaatst.

Mogelijke problemen
Wanneer een thermosyphon-systeem niet goed werkt, kan dit verschillende redenen hebben. Vaak speelt een combinatie van factoren een rol. Vervuiling kan een goede warmteoverdracht belemmeren. Deze vervuiling kan zich aan de koudemiddelzijde bevinden, in de vorm van bijvoorbeeld een overmaat van olie. Maar hij kan ook aanwezig zijn aan de secundaire kant, zoals een water- of glycolcircuit. Voor het aftappen van olie of koudedrager dienen daarom altijd voldoende serviceaansluitingen aanwezig te zijn. Een andere oorzaak kan een te geringe statische hoogte van de vloeistofkolom zijn, waardoor de natuurlijke circulatie niet goed op gang kan komen. De circulatie kan ook negatief worden beïnvloed als de weerstand over het koudemiddelcircuit groter is dan verwacht. Deze weerstand kan worden veroorzaakt in de warmtewisselaar, door vervuiling, in appendages of in het leidingwerk

Thermosyphon met CO₂
Natuurlijke koudemiddelen hebben de toekomst! In dit perspectief ontstaan ook installaties waarbij CO₂in thermosyphon-systemen wordt gebruikt. Bij het toepassen van CO₂ in thermosyphon-systemen moet rekening worden gehouden met de hoge dichtheid van het gas en de hogere drukvallen die daarvan het gevolg zijn. Het kan daarom nodig zijn met grotere statische hoogtes te werken om deze weerstanden te overbruggen.

Met dank aan Wijbenga B.V.

Dit artikel is met toestemming van de auteur (Jeroen Schröer) gepubliceerd op KoudeCentraal.
Overname of verspreiding van (delen van) deze publicatie is niet toegestaan zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de auteur en/of KoudeCentraal.

Samen kennis delen
Dankzij deze bijdrage wordt waardevolle kennis gedeeld binnen de koude- en warmtepomptechniek, een inspirerend voorbeeld van vakmanschap en samenwerking in onze sector.

Kennispartnerschap
Met deze publicatie mag Wijbenga B.V. zich een trotse kennispartner van KoudeCentraal noemen.
Wij waarderen de openheid waarmee kennis wordt gedeeld en hopen dat dit anderen inspireert om ook bij te dragen aan de kennisbank van onze sector.

Wil jij ook jouw kennis delen? Neem contact op met de redactie van KoudeCentraal, via contact@koudecentraal.nl.