VERWARMING
Install Magazine 1002 – februari 2025
Eigenschappen van water in verwarmings- en koelsystemen
Dit artikel gaat in op de fundamentele eigenschappen van water als warmtedrager in verwarmings- en koelsystemen. Puur water is het goedkoopste warmtemedium voor verwarming en koeling. Het is echter slechts inzetbaar tot een bepaalde ondergrens qua temperatuur: circa 2 K boven het vriespunt van 0°C. Voor lagere temperaturen zijn aangepaste oplossingen nodig.
De kerngegevens volgens de schaal van Celsius zijn per definitie als volgt
Smeltpunt: 0°C
Kookpunt: 100°C
Dichtheid: 1 g/cm3 bij 4°C, 0,998203 g/cm3 bij 20°C
Dichtheidsanomalie van water
Vloeibaar water heeft zijn grootste dichtheid bij 4°C. Dat heeft het gevolg dat het water in vijvers tijdens de koude wintermaanden eerst afkoelt tot 4°C. Als de temperatuur verder daalt, leidt dit tot een verschil in dichtheid, zodat er zich aan het oppervlak een laag vormt met ijs en kouder water, terwijl er zich anderzijds bij de bodem een laag met water aan 4°C ophoopt. Dat is de reden waarom waterpartijen van boven naar onder bevriezen. Deze specifieke eigenschap noemt men de dichtheidsanomalie van water. Door de uitzetting bij bevriezing kan er schade ontstaan. In waterleidingen buitenshuis kan deze uitzetting namelijk leidingen doen barsten. Mobiele toepassingen met kunststofslangen zijn hier minder gevoelig voor.
Specifieke warmtecapaciteit
De warmtecapaciteit beschrijft de verhouding tussen de toegevoegde warmte-energie enerzijds, en de resulterende verhoging in temperatuur anderzijds. Eenvoudig gezegd is het de hoeveelheid energie die nodig is om 1 kg van een bepaalde stof met 1 K op te warmen.
c = 4,18 kJ/(kg·K)
Water heeft een van de hoogste specifieke warmtecapaciteiten van alle bekende vloeistoffen. Water-glycol mengsels hebben altijd een lagere warmtecapaciteit dan water. Naargelang het type en de concentratie van de antivries bedraagt de warmtecapaciteit van dergelijke mengsels bij 20°C tussen 3,4 en 3,7 kJ/kg. K
Verdampingswarmte – de enthalpie van waterdamp
De verdampingswarmte, of beter gezegd, de verdampingsenthalpie van water staat voor de hoeveelheid warmte die nodig is om een gegeven hoeveelheid van een vloeistof tot gas te laten overgaan, bij een constante externe druk en temperatuur. Als men 4 kg water aan 100°C wil omvormen tot 100°C warme damp, heeft men de volgende hoeveelheid warmte nodig.
∆HV = 2.257 kJ/kg
De specifieke verdampingswarmte van water is duidelijk hoger dan die van andere vloeistoffen. Dat is onder meer de reden waarom water laten verdampen in een koeltoren, een zeer effectieve manier is om warmte te verwijderen.
Warmtegeleidbaarheid – transportmogelijkheden van water.
De warmtegeleidbaarheid staat voor het transport van warmte tussen systemen aan een verschillende temperatuur. De geleidbaarheid is afhankelijk van de temperatuur en stijgt naargelang het warmer wordt. De warmtegeleidbaarheid van water in zeer hoog in vergelijking met andere vloeistoffen. In vergelijking met metalen is de geleidbaarheid echter gering. Metalen hebben 10 tot 100 maal hogere waarden. De warmtegeleidbaarheid van water bij 20°C bedraagt 0,60 W/ (m.K)
pH waarde: van zuur tot basisch
Het pH-bereik gaat van 0 (zuur) over 7 (neutraal) tot 14 (basisch). Figuur 1 toont typische pH-waarden voor verschillende vloeistoffen. Bij de meeste toepassingen in de industrie waar water als proceswater of koelmedium wordt ingezet, is de pH-waarde in de licht alkalische zone.
Figuur 1: Typische pH-waarde van diverse vloeistoffen (Bron: EnviroFalk GmbH)
Elektrische geleidbaarheid σ
Vele zouten, zuren, logen en gassen zijn oplosbaar in water. Slecht oplosbaar zijn daarentegen apolaire stoffen zoals vetten en oliën. Zuurstof (O2) heeft bij 20°C een oplosbaarheid van 0,001% of 10 mg/l. Koolstofdioxide (CO2) heeft een oplosbaarheid van 0,17% of 1.700 mg/l.
Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de oplosbaarheid van gassen in water af. Door deze eigenschap is het mogelijk om thermisch te ontgassen, wat bijvoorbeeld dikwijls wordt toegepast in stoomketels. De elektrische geleidbaarheid van water hangt samen met de concentratie aan opgeloste zouten. Deze eigenschap wordt uitgedrukt in Siemens per meter (S/m). Gangbare grootteordes in de analyse van waterkwaliteit zijn millisiemens per meter (1 mS/m = 10-3 S/m) en mircosiemens per meter (1 µS/cm = 10-4 S/m).
Als vuistregel voor de geleidbaarheid gaat men ervan uit dan 1000 µS/cm overeenkomt met 700 mg zout per liter of 0,7 g/l
Vorstschade vermijden
Om blijvende schade aan leidingen en componenten door vorstschade te vermijden, moet men aangepaste maatregelen nemen. Als de werkingstemperatuur onder 1°C kan dalen, moet men met vorstbestendige vloeistoffen werken. Als echter alleen de temperatuur van de installatie-onderdelen of de omgeving onder 0°C kan dalen, kan men bevriezing vermijden door de pompen continu te laten draaien, verwarmingslinten op leidingen aan te brengen of andere verwarmingssystemen. Vorstbestendige warmtemedia zijn in de eerste plaats mengsels met monoethyleenglycol of propyleenglycol. Door de concentratie van deze stoffen in water aan te passen, kan men een vooraf bepaald vriespunt bereiken. Deze mengsels worden over het algemeen nog voorzien van additieven voor corrosiebescherming en hardheidsstabilisatie. Deze inhibitoren vermijden dat er chemische of biologische reacties optreden. Er is een hele reeks van voorgemengde warmte- en koudedragers beschikbaar voor alle temperatuurniveaus. Als men ze in de voedingsindustrie wil inzetten, mogen ze uiteraard niet giftig zijn.
Homogene mengsels van warmtedragers
Vorstbestendige warmtedragers moeten altijd voorgemengd in het systeem worden gebracht, om een homogene menging te garanderen en ongelijkmatige concentraties te vermijden. De concentratie kan met een hydrometer of een refractometer vastgesteld worden. Elk watervoerend systeem, al dan niet met glycol, moet voorzien zijn van een filter (ideaal gezien in bypass van de hoofdleiding). Glycol wordt over het algemeen toegevoegd
- Bij vloeistoftemperaturen onder 4°C en
- Bij vorstgevaar in de opstellingsruimte (bijvoorbeeld luchtgekoelde koelmachines of warmtewisselaars voor buitenopstelling, free cooling, koelbatterijen in luchtbehandelingskasten… )
Als men glycol toevoegt aan water dan moet men, in functie van de concentratie, rekening houden met de volgende positieve en negatieve effecten (tabel 1)
Tabel 2 geeft een aanduiding van de vorstbeveiliging in functie van de mengverhouding.
Water blijft het meest gebruikte warmtetransportmedium in HVAC-systemen. Door een beter inzicht in de fundamentele eigenschappen kan men de mogelijkheden en beperkingen ervan correct inschatten.
Door: Lars Keller
