Koeltechniek: een introductie

Met koeltechniek brengen we de temperatuur van een ruimte, voorwerp of stof op een kunstmatige manier naar beneden. Hierbij spelen natuurkundige processen zoals verdampen en condenseren een grote rol. Koeltechniek wordt breed ingezet, van een huis-tuin-en-keukenkoelkast tot klimaatinstallaties en industriële processen.

Dit artikel is een introductie in de koeltechniek. In een koelmachine draait een kringproces waarin verdampen en condenseren ervoor zorgen dat warmte (thermische energie) zich vanuit de ene omgeving naar de andere omgeving verplaatst. Je leert uit welke hoofdcomponenten een koelmachine bestaat en hoe die componenten functioneren.

Verder kom je erachter dat een warmtepomp gebruik maakt van precies dezelfde techniek.

We doen dit aan de hand van de volgende onderwerpen:

  • Het kringproces
  • Natuurkundige processen
  • Zo werkt een koelmachine

Het kringproces

De werking van een koelmachine en warmtepomp is gebaseerd op het rondpompen van warmte. Zie het als een soort graafmachine. Een koelinstallatie schept warmte (thermische energie) van een lage temperatuur uit een geïsoleerde ruimte en brengt het naar een omgeving op hoge temperatuur.

Kringproces koeltechniek

Kringproces

Eigenlijk is dat heel tegennatuurlijk want normaalgesproken stroomt warmte altijd van een hoge temperatuur naar een lage temperatuur. De koelmachine en warmtepomp druisen hier recht tegenin en zorgen ervoor dat thermische energie van een lage temperatuur, naar een hoge temperatuur stroomt.

Warmtestroom

Warmtestroom

Natuurkundige principes in de koeltechniek

Je zou denken dat we met koeltechniek de wetten van de natuur ombuigen en er recht tegenin gaan. Toch maken koelmachines en warmtepompen gebruik van diezelfde natuurkundige principes en zetten daarmee een tegennatuurlijk resultaat neer.

De belangrijkste hiervan zijn:

  • Dampdruk en dampspanning van een vloeistof
  • Aggregatietoestanden van een stof

Dampdruk en dampspanning van een vloeistof

Elke vloeistof verdampt, het gaat over van vloeibaar naar gasvormig (damp). Brengen we vloeistof in een gesloten systeem (bijvoorbeeld een afgesloten vat) dan ontstaat er op een gegeven moment een evenwichtstoestand. Deze is afhankelijk van de druk, temperatuur en het volume van het vat. Als er evenwicht is, dan spreken we van een verzadigde druk of verzadigde dampspanning boven de vloeistof.

Elke vloeistof heeft zijn eigen verhouding tussen druk, temperatuur, vloeistof en damp. Deze zijn weergegeven in een fasediagram.

Fase diagram water

Fase diagram

Je ziet dus dat water kookt (verdampen) op 100°C als de druk 1 bar is. Toevallig is dat de situatie hier in Nederland waar we op zeeniveau leven. Verhuizen we ons pannetje met water naar een berg in Oostenrijk dan zul je zien dat het water daar al op 70°C kookt. Dat komt omdat de luchtdruk daar lager is. Goed om te weten als je eieren gaat koken. 😉

Aggregatietoestand

Er zijn drie aggregatietoestanden of fasen waarin een stof zich kan bevinden; vast, vloeibaar en gas. Een blok ijs smelt als de temperatuur hoog genoeg is en uiteindelijk verdampt een vloeistof tijdens het koken. Als we de temperatuur verlagen, gaat het andersom: een gas condenseert en wordt weer vloeibaar en als het koud genoeg is, bevriest een vloeistof tot ijs.

Aggregatie toestand

Aggregatietoestanden

Veranderingen in fase worden veroorzaakt door temperatuurverschuivingen. Natuurkundigen maken onderscheid tussen twee soorten warmte, voelbare warmte en latente warmte.

Voelbare warmte is de warmte die je letterlijk voelt zoals wanneer je op een zomerse middag uit een kamer met airconditioning de straat oploopt. Latente warmte is een vorm van warmte waarbij de omgevingstemperatuur niet verandert. Het enige dat verandert is de fase van een stof.

Laten we het voorbeeld nemen van kokend water voor het koken van een eitje. Bij 100 °C kan water nog steeds een vloeistof zijn, maar het kan ook damp zijn. Het verschil tussen 100 graden vloeibaar water en 100 graden waterdamp is dat latente warmte in de laatste sterk toeneemt.

Van vast naar vloeibaar en gasvormig

Het koudemiddel in een koelmachine is een stof die in fase verandert als het ronddraait in de koelmachine: van vloeistof naar gas en weer naar vloeistof, enzovoort.

Zoals je in bovenstaand schema kunt zien kost verdampen veel energie in de vorm van latente warmte. Een koelmachine gebruikt dit in zijn voordeel. Om te verdampen, onttrekt het koudemiddel warmte uit de omgeving. Terwijl het koudemiddel niet van temperatuur verandert – het verandert alleen van fase – begint de omgevingstemperatuur te dalen als er warmte (thermische energie) aan onttrokken wordt.

De verdamper staat in een omgeving – of een systeem – dat gekoeld moet worden, zoals de binnenkant van een koelkast of een warmtewisselaar.

Hetzelfde trucje werkt ook de andere kant op. Bij condenseren wordt de warmte uit de damp weer afgegeven aan de omgeving. Dit is wat er gebeurt in een condensor en waar een warmtepomp gebruik van maakt om je huist te verwarmen.

Zo werkt een koelmachine

Nu alle natuurkundige principes voorbij zijn gekomen, kunnen we deze reflecteren op de koelmachine.

Koelmachine koeltechniek

Schema koelmachine

In de koelmachine wordt een koudemiddel rondgepompt en ondergaat daarbij verschillende faseovergangen. We hebben gezien dat de faseovergang verdampen warmte vanuit de omgeving onttrekt en de faseovergang condenseren juist warmte aan de omgeving afgeeft.

Kringloop

De vier hoofdonderdelen van de koelmachine zijn:

  1. De compressor;
  2. De condensor;
  3. Het expansieventiel;
  4. De verdamper.

 

  1. De compressor zorgt voor drukverschil in het systeem. Aan de ene kant heerst een lage druk en aan de andere kant juist een hoge druk. De compressor zuigt het koudemiddel (gasvormig) aan en comprimeert het. Daarbij gaat zowel de druk als de temperatuur van het koudemiddel omhoog.
  2. In de condensor koelt het koudemiddel af en zal daarbij van fase veranderen. Het warme en gasvormige koudemiddel verandert naar een vloeibare en afgekoelde vorm. De warmte die daarbij vrijkomt wordt in de condensor afgevoerd. Deze warmte (thermische energie) zat opgeslagen in het koelmiddel.
  3. Het vloeibare koudemiddel stroomt richting verdamper maar passeert daarbij eerst het expansieventiel. Hier expandeert het, dat wil zeggen; het zet uit en daarbij daalt de druk.
  4. Na het expansieventiel wordt het koudemiddel de verdamper ingespoten. Hier is de druk nog lager en omdat de warmte uit de ruimte over de verdamper wordt getrokken, verdampt het koudemiddel tot het helemaal gasvormig is. Tijdens het verdampen trekt de warmte (thermische energie) uit de omgeving van de verdamper in het koudemiddel.

De compressor trekt het gasvormige koudemiddel aan en zo is het kringproces weer rond.

Schematisch ziet dit er als volgt uit:

Kringproces koelmachine koeltechniek

Kringproces koelmachine

In dit artikel hebben we op een hele korte en bondige manier uitgelegd hoe een koelmachine werkt. Wil je graag meer weten en ook meemaken hoe dit er in het echt uitziet?

Wellicht is de cursus Koeltechniek algemeen wat voor jou. In deze training leer je de basis van de koeltechniek en leer je alle componenten herkennen.

Wil je echt zelf met de koelmachine aan de slag? Ook daar hebben we verschillende trainingen voor.

Kijk op de site en kies een opleiding die het best bij jou past.