Het log p-h-diagram uitgelegd

Een log p-h-diagram is een grafiek die de eigenschappen van een koudemiddel weergeeft. Het diagram wordt ook wel Mollierdiagram genoemd. De naam verwijst naar de twee assen:

De verticale as: druk (p)
Op de verticale as staat de druk van het koudemiddel. Deze as heeft een logaritmische schaal, vandaar het woord log. Een logaritmische schaal maakt het mogelijk om zowel lage als hoge drukken overzichtelijk in één grafiek te tonen.

De horizontale as: enthalpie (h)
Op de horizontale as staat de enthalpie. Dat is de hoeveelheid energie die in één kilogram koudemiddel zit, uitgedrukt in kJ/kg. Hoe verder naar rechts, hoe meer energie het koudemiddel bevat.

Elk koudemiddel heeft een eigen log p-h-diagram. Een diagram van R134a ziet er dus anders uit dan een diagram van propaan of CO₂. Wie een installatie wil beoordelen, gebruikt altijd het diagram van het koudemiddel dat in die installatie zit.

Het opvallendste deel van het diagram is een klokvormige lijn, ook wel de koepel genoemd. Deze lijn verdeelt het diagram in drie gebieden:

Links van de koepel: vloeistof
Hier is het koudemiddel volledig vloeibaar. De linkerkant van de koepel heet de vloeistoflijn. Op deze lijn staat het vloeibare koudemiddel precies op het punt van koken.

Binnen de koepel: een mengsel van vloeistof en damp
Hier is een deel van het koudemiddel vloeibaar en een deel dampvormig. In dit gebied verdampt of condenseert het koudemiddel. Bij een zuiver koudemiddel hoort bij elke druk één vaste temperatuur. Een horizontale lijn binnen de koepel is dus zowel een lijn van gelijke druk als een lijn van gelijke temperatuur.

Rechts van de koepel: damp
Hier is het koudemiddel volledig dampvormig. De rechterkant van de koepel heet de damplijn. Rechts daarvan is de damp oververhit: warmer dan de temperatuur waarbij het koudemiddel bij die druk verdampt.

De top van de koepel heet het kritisch punt. Boven dit punt bestaat geen duidelijk onderscheid meer tussen vloeistof en damp. Daarnaast staan er in het diagram nog meer lijnen, zoals lijnen van gelijke temperatuur. Voor het begrijpen van het koelproces zijn de koepel en de twee assen het belangrijkst.

Bij sommige koudemiddelmengsels is de temperatuur binnen de koepel niet constant, maar loopt deze tijdens het verdampen of condenseren iets op. Dit heet temperatuurglijding. Bij deze koudemiddelen lopen de lijnen van gelijke temperatuur binnen de koepel daarom niet horizontaal.

Het koudemiddel doorloopt in een koelinstallatie steeds dezelfde kringloop. In het log p-h-diagram wordt die kringloop een gesloten figuur met vier zijden. Elke zijde hoort bij een van de vier hoofdonderdelen van het koudemiddelcircuit.

1. Compressie
De compressor zuigt damp aan met een lage druk en perst deze samen tot een hoge druk. In het diagram loopt deze lijn schuin omhoog naar rechts. De druk stijgt en de compressor voegt energie toe, waardoor ook de enthalpie toeneemt.

2. Condensatie
In de condensor geeft het koudemiddel warmte af bij een gelijkblijvende hoge druk. In het diagram is dit een horizontale lijn naar links. Eerst koelt de hete damp af tot de damplijn, daarna condenseert het koudemiddel binnen de koepel en ten slotte koelt de vloeistof nog iets verder af links van de koepel.

3. Expansie
In het expansieventiel daalt de druk sterk, terwijl de enthalpie gelijk blijft. In het diagram is dit een verticale lijn recht naar beneden. Het eindpunt ligt binnen de koepel. Een deel van het koudemiddel verdampt namelijk al direct na het expansieventiel.

4. Verdamping
In de verdamper neemt het koudemiddel warmte op uit de koelruimte of het product, bij een gelijkblijvende lage druk. In het diagram is dit een horizontale lijn naar rechts. Het koudemiddel verdampt volledig en warmt daarna nog iets op tot rechts van de damplijn. Daarna begint de kringloop opnieuw bij de compressor.

Omdat de horizontale as energie weergeeft, laat de lengte van de lijnen direct zien hoeveel energie er per kilogram koudemiddel wordt verplaatst.

Koelvermogen per kilogram
De lengte van de verdampingslijn geeft aan hoeveel warmte één kilogram koudemiddel in de verdamper opneemt. Dit is de nuttige koeling.

Compressorarbeid per kilogram
De horizontale breedte van de compressielijn geeft aan hoeveel energie de compressor per kilogram koudemiddel toevoegt.

Warmteafgifte in de condensor
De lengte van de condensatielijn is de warmte die de condensor afvoert. Dit is de som van de opgenomen warmte in de verdamper en de energie van de compressor. Deze warmte kan nuttig worden ingezet met warmteterugwinning.

Rendement
De verhouding tussen de lengte van de verdampingslijn en de breedte van de compressielijn is het theoretische rendement van de installatie, de COP. Hoe langer de verdampingslijn ten opzichte van de compressielijn, hoe efficiënter de installatie koelt.

Onderkoeling en oververhitting
Ook onderkoeling en oververhitting zijn in het diagram zichtbaar. Onderkoeling is het stuk links van de koepel aan het einde van de condensatie. Oververhitting is het stuk rechts van de koepel aan het einde van de verdamping. Meer onderkoeling schuift de expansielijn naar links. Daardoor wordt de verdampingslijn langer en neemt het koelvermogen per kilogram toe.

Het log p-h-diagram maakt zichtbaar waarom bepaalde instellingen en omstandigheden zo veel invloed hebben op het energieverbruik.

Hogere condensatiedruk
Bij een vervuilde condensor of een hoge buitentemperatuur stijgt de condensatiedruk. In het diagram komt de bovenste lijn hoger te liggen. De compressielijn wordt langer, de compressor moet meer energie leveren en het rendement daalt.

Lagere verdampingsdruk
Bij een bevroren of vervuilde verdamper of een te laag ingestelde temperatuur daalt de verdampingsdruk. De onderste lijn komt lager te liggen en ook dan moet de compressor meer werk verrichten.

Volgens RVO levert elke graad hogere verdampingstemperatuur circa 2,5% elektriciteitsbesparing op. Voor elke graad lagere condensatietemperatuur geldt dezelfde orde van grootte. Het diagram laat zien waarom: hoe kleiner het drukverschil tussen de onderste en bovenste lijn, hoe minder werk de compressor hoeft te doen.

Bij CO₂ ziet het koelproces in het diagram er vaak anders uit. Het kritisch punt van CO₂ ligt bij circa 31 °C. Is de buitentemperatuur te hoog om daaronder te kunnen condenseren, dan ligt de bovenste lijn boven de koepel. Het koudemiddel condenseert dan niet, maar koelt af in een gascooler. Dit heet een transkritisch CO₂ systeem. In het log p-h-diagram is goed te zien waarom zo’n installatie anders werkt dan een installatie met een synthetisch koudemiddel.

Het koelproces in het log p-h-diagram is een vereenvoudigde weergave. In een echte installatie is er bijvoorbeeld drukverlies in leidingen en componenten, en verloopt de compressie niet volmaakt. De lijnen in een gemeten proces zijn daardoor nooit helemaal recht. Toch blijft het diagram een waardevol hulpmiddel. Het geeft inzicht in hoe een installatie werkt, waar energie verloren gaat en wat het effect is van een verandering in druk of temperatuur.