A.De koelcyclus
1.Het koelproces
De koelcel, koelkast of diepvries is een thermisch apparaat dat een hoeveelheid warmte onttrekt aan een ruimte met een lagere temperatuur, om ze over te brengen naar een omgeving met een hogere temperatuur.
Omdat warmte altijd overgaat van een warmer lichaam naar een kouder moet je hier dit natuurverschijnsel omkeren: er is dus een hoeveelheid energie nodig die je zal onttrekken aan de compressie van bepaalde gassen.
Koelinstallaties worden ondermeer gebruikt:
Fig.2.1 toont een compressiekoelcyclus bij een koelkast. Hierin onderscheiden we 4 belangrijke onderdelen (zie ook fig.2.2):
de compressor,
de verdamper,
het regelventiel of een capillair
en de condensor.
Koperen leidingen verbinden deze vier onderdelen aan elkaar. In die leidingen stroomt een koelmiddel in de aangeduide richting. Dit koelmiddel wordt gekozen in funktie van de toepassing en kookt bij een lage temperatuur (bijvoorbeeld bij -10 °C).
fig.2.2 - Het kringloopprincipe van een koelinstallatie
Plaats je in de koelkast een warmtewisselaar waarin je dit koelmiddel in vloeibare toestand loslaat, dan zal het bij -10°C verdampen. Zoals bij stoom zal de temperatuur constant blijven zolang niet alle vloeistof is omgezet in damp.
Dit verdampingsproces, dat in de verdamper plaatsvindt, onttrekt warmte aan de ruimte die moet gekoeld worden.
Naast het verdampingsproces, dat warmte opneemt, heb je ook het omgekeerde proces nodig, dat het gas terug omzet in vloeistof. Dit vindt plaats in de condensor. Deze warmtewisselaar vind je achteraan buiten de koelkast.
Tussen de verdamper en de condensor is de compressor opgesteld. Deze zuigt damp aan uit de verdamper. Deze damp moet enigszins oververhit zijn, zodat deze compressor zeker geen vloeistof aanzuigt. De compressor drukt deze damp samen, waardoor niet alleen een drukverhoging plaatsvindt, maar ook een temperatuurverhoging. Het samengeperste gas bevindt zich in gasvormige toestand als het de condensor binnenkomt. In de condensor koelt deze damp af en wordt hij in vloeistof omgezet. Dit afkoelen gebeurt op bijna constante temperatuur en druk. Zolang alle damp niet volledig is omgezet in vloeistof (vergelijk terug met stoom) blijft de temperatuur constant. Bij een koelkast is de condensor aan de achterzijde gemonteerd en vindt de afkoeling plaats door natuurlijke circulatie van de omringende lucht. Bij grotere installaties en bij klimatisering, waar natuurlijke circulatie onvoldoende is, gebeurt deze afkoeling met behulp van een ventilator die over de condensor blaast.
fig.2.3 - Het verloop van druk en temperatuur in een koelcyclus
Door het drukverschil tussen de condensor en de verdamper, stroomt het vloeibare koelmiddel automatisch naar de verdamper. Omdat de hoeveelheid vloeistof naar die verdamper niet willekeurig mag zijn, moet je tussen condensor en verdamper een smoring aanbrengen, die een bepaalde weerstand geeft aan het vloeibaar koelmiddel waardoor de druk daalt. Door deze drukdaling zal het koelmiddel reeds gedeeltelijk verdampen (ongeveer 10 tot 20 %) en bekom je natte damp. De smoring kan op twee manieren gebeuren:
- door middel van een capillair: dit is een lange, dunne buis met een inwendige diameter van 0,5 mm tot 2,5 mm (meestal voor kleine koelinstallaties). Je vindt het terug in de huishoudkoelkast van fig.2.1.
fig.2.4 - Industriėle uitvoering van een koelsysteem met expansieventiel
- door middel van een kraan die zich automatisch aanpast en die je in de koeltechniek een expansieventiel noemt (dit voor grotere koelinstallaties). Dit systeem vind je terug in de fig.2.4.
Tenslotte heb je een thermostaat nodig die de compressor inschakelt bij stijgende temperatuur in de koelkast.Fig.2.2 geeft duidelijk aan dat het systeem kan opgesplitst worden in een zone van hoge en lage druk. Je kan binnen de cyclus ook een dampgebied en vloeistofgebied onderscheiden. Ook geeft fig.2.3 aan, hoe druk en temperatuur variėren in een koelsysteem.