Koelkast - saVRee

Artikel

Geschiedenis van de Koelkast

Voor de uitvinding van koelkasten gebruikten mensen traditionele methoden om voedsel te conserveren, zoals zouten, roken en drogen. In de winter groeven mensen gaten om hun voedsel ondergronds te bewaren. Ze wisten dat voedsel langer houdbaar bleef als het koud werd gehouden, maar de reden daarvoor was onbekend.

IJskasten waren de eerste apparaten die als koelkasten werden gebruikt in de jaren 1860-1890. Elke ijskast was gemaakt van hout bekleed met zink en had compartimenten voor het opslaan van ijs. Helaas hield het ijs slechts een week stand voordat het vervangen moest worden door een ijsman (ja, dit beroep bestond!). Omdat er geen manier was om ijs te maken, oogstten ijsmannen het tijdens het koude winterseizoen en bewaarden het in ijshuizen totdat het nodig was.

De introductie van de eerste commerciële koelkast vond plaats in 1911. Het oorspronkelijke ontwerp gebruikte ammoniak als koelmiddel, maar het bleek een onaangename geur te hebben als het lekte en is giftig bij inademing. Verdere ontwikkelingen gingen door in de jaren 1920 en 1930 totdat het gangbare huishoudelijke koelkastontwerp beschikbaar kwam op de open markt; dit modernere ontwerp gebruikte verschillende soorten freongas.

Moderne Huishoudelijke Koelkast

Moderne Huishoudelijke Koelkast

Hoe Koelkasten Werken

Koelkasten koelen opslagruimte voor bederfelijke goederen om de groei van bacteriën te vertragen en bederf of achteruitgang te voorkomen. Ze bereiken dit koeleffect door warmte in één gebied te absorberen en naar een ander over te brengen. Het proces vormt een continue cyclus van verdamping en condensatie, die beide latente warmteprocessen zijn.

Latente en Zichtbare Warmte

Latente en Zichtbare Warmte

Lage Kant en Hoge Kant

De helft van een koelsysteem verlaagt de druk en temperatuur van het koelmiddel. Dit deel van het systeem wordt vaak de lage kant genoemd en richt zich op het proces van verdamping (waarbij vloeistof van toestand verandert naar gas).

De andere helft van een koelsysteem verhoogt de druk en temperatuur van het koelmiddel. Dit deel van het systeem wordt vaak de hoge kant genoemd en richt zich op het proces van condensatie (waarbij gas van toestand verandert naar vloeistof).

Een koelsysteem is een gesloten systeem en vereist een koelmiddel dat veilig en efficiënt van toestand/fase kan veranderen. Alle koelsystemen bestaan uit vijf hoofdcomponenten: een expansieventiel, een verdamper, een compressor, een condensor en een thermostaat.

Koelkast Onderdelen

Koelkast Systeemcomponenten

Een logische manier om naar een koelsysteem te kijken is te beginnen bij het punt waar het koelmiddel in vloeibare toestand is, en dan het koelmiddel door het systeem te volgen terwijl het van toestand, druk en temperatuur verandert. Houd er rekening mee dat het koelmiddel zal verdampen en condenseren tijdens de koelcyclus en dat dit resulteert in het absorberen of afgeven van warmte door het koelmiddel (respectievelijk verdamping en condensatie).

Koelsysteem

Expansieventiel of Capillaire Buis

Een expansieventiel of capillaire buis markeert het begin van de lage kant van het koelsysteem en het is het punt waar het koelmiddel van toestand verandert van een vloeistof naar een damp. Kleine koelsystemen gebruiken capillaire buizen, terwijl grotere eenheden expansieventielen gebruiken.

Capillaire buizen worden gevormd door koperen leidingen meerdere keren op te winden om een spiraalvormige cilinder te vormen; hun ontwerp is eenvoudig, dus dit artikel zal zich richten op het expansieventiel en zijn werking. Ongeacht welk ontwerp wordt gebruikt, het doel van capillaire buizen en expansieventielen is hetzelfde, namelijk druk- en temperatuurdaling.

Een expansieventiel reguleert hoeveel koelmiddel naar de verdamper wordt afgevoerd. Koelmiddel dat door het expansieventiel passeert, ervaart een aanzienlijke druk- en temperatuurdaling. Om dit te bereiken, heeft het ventiel een inlaat, een uitlaat en de interne onderdelen (trim) van het ventiel die daartussen zijn geïnstalleerd.

De inlaat laat heet geperst vloeibaar koelmiddel van de condensor toe.
Het doel van het ventiel is om te reguleren (smoren) hoeveel koelmiddel door het ventiel stroomt. Het volume koelmiddel dat door het ventiel passeert, hangt af van de balans van de druk die op een membraan binnen het ventiel werkt. Meestal duwt gas uit een voelbol dat op het membraan werkt het ventiel open, terwijl druk van de verdamper en een instelbare drukkveer aan de onderkant van het ventiel op de onderkant van het membraan werken en het ventiel sluiten. De voelbol vormt een feedbacklus, die de stroming door het ventiel automatisch reguleert op basis van de systeemdruk na de verdamper. Merk op dat de posities van de voelbol en veer binnen het ventiel omgekeerd kunnen zijn.
De uitlaat laat een spray van koud, laagdruk, kokend vloeistof-damp koelmiddel in de verdamper vrij.

Thermostatisch Expansieventiel

Thermostatisch Expansieventiel

De meeste koelkastunits gebruiken een voelbol gevuld met gas om een signaal te genereren of er meer of minder koeling nodig is. Wanneer de voelbol heter is dan de gewenste temperatuur, zet het gas binnen de bol uit, wat druk veroorzaakt op het membraan van het thermostatische expansieventiel, waardoor het ventiel opent en meer koelmiddel naar de verdamper stroomt (waardoor meer koeling en een lagere temperatuur wordt bereikt).

Zodra de verdamper voldoende warmte heeft afgevoerd en de gewenste temperatuur opnieuw heeft ingesteld, krimpt het gas binnen de capillaire buis, waardoor het thermostatische expansieventiel naar de gesloten positie beweegt.

Samenvattend, het expansieventiel ontvangt vloeibaar koelmiddel van de condensor en verlaagt vervolgens de druk, wat resulteert in een temperatuurdaling. De lagere druk zorgt ervoor dat het koelmiddel kookt en damp wordt. Het koelmiddel is op zijn koudst als het het expansieventiel verlaat. Een voelbol stuurt een signaal naar het thermostatische expansieventiel en dit signaal wordt omgezet in lineaire beweging van het membraan, wat resulteert in het reguleren van de stroming door het ventiel (smoren van de stroming).

Verdamper

De verdamper is wat de binnenkant van de vriezer en koelkastcompartimenten van een koelkast koud maakt. Terwijl de koude, laagdruk damp van het expansieventiel door de spoelen van de verdamper reist, trekken en absorberen de koude spoelen warmte uit de omgeving. Een ventilator is geïnstalleerd op grotere koelkasten om lucht over de verdamperspiralen te blazen en zo de warmteoverdrachtssnelheid tussen de spiralen en de omgeving te verhogen.

Compressor

De compressor wordt beschouwd als het hart van de koelcyclus van een koelkast en het begin van de hoge kant van het systeem. Het is de tegenhanger van het expansieventiel, aangezien het koelmiddel op zijn koudst en laagste druk is wanneer het het expansieventiel verlaat, en op zijn heetst en hoogste druk wanneer het de compressor verlaat.

Compressors zijn er in reciprocating (de meest voorkomende), rotary en centrifugal ontwerpen, maar ongeacht hun ontwerp is het doel van een compressor om de druk van het koelmiddel te verhogen. Compressors bereiken dit door koelmiddel uit de verdamper te zuigen/trekken, vervolgens de druk van de damp te verhogen en deze naar een condensor af te voeren. Compressie van de damp veroorzaakt een temperatuurstijging. Stroming door het koelsysteem wordt veroorzaakt door het drukverschil (ΔP) dat door de compressor wordt gecreëerd.

Condensor

In kleine koelkasten is de condensor meestal een reeks buizen of een spoel, en het koelmiddel is lucht. In grotere chillerinstallaties is de condensor meestal een shell and tube warmtewisselaar, met koelmiddel dat door de buizen stroomt (buiszijde vloeistof) en koelwater dat rond de buizen stroomt (shellzijde vloeistof); koelwater is het koelmiddel.

Moderne Industriële Koelchiller

Moderne Industriële Koelchiller

Het doel van de condensor is om warmte te verwijderen van de hete koelmiddeldamp zodat deze van toestand verandert naar een vloeistof. Bij kleine koelkasten en vriezers is de condensor meestal aan de achterkant van de behuizing geïnstalleerd. De lengte en bochtconfiguraties van de condensor zijn ontworpen om warmte af te voeren terwijl ervoor wordt gezorgd dat het koelmiddel voldoende tijd heeft om af te koelen. Net als verdampers kunnen luchtgekoelde condensors een axiale ventilator gebruiken om de warmteoverdrachtssnelheid tussen de lucht en het koelmiddel te verhogen.

Vloeibaar koelmiddel van de condensor wordt afgevoerd naar het expansieventiel(en), waardoor de koelmiddelcyclus wordt gesloten.

Thermostaat

Een thermostaat wordt gebruikt om de werkelijke temperatuur binnen de gekoelde ruimte te meten en te vergelijken met de gewenste temperatuur. Thermostaten kunnen mechanische of elektronische signalen gebruiken, afhankelijk van hoe complex het koelsysteem is.

Het belangrijkste doel van een thermostaat is ervoor te zorgen dat de gewenste temperatuur wordt gehandhaafd. Dit wordt bereikt door een signaal naar de compressor te sturen om te starten of te stoppen, als de temperatuur respectievelijk te hoog of te laag is.

Systemen die alleen afhankelijk zijn van elektronische signalen, hebben bijbehorende relais die de compressor(s) starten en stoppen. Systemen die elektromechanische signalen gebruiken, gebruiken meestal bimetaalstrips om de compressor te starten en te stoppen.

Temperatuur, Druk en Verzadigingspunt

Om te bepalen of een koelsysteem goed werkt, worden temperatuur en drukmetingen gebruikt als belangrijke indicatoren van het verzadigingsniveau van een koelmiddel.

Het verzadigingspunt wordt ook wel het kookpunt genoemd, het is het punt waarop de vloeistof geen thermische energie meer kan opslaan zonder van toestand te beginnen veranderen. Er is vaak enige verwarring over het verzadigingspunt, de volgende definities zouden u moeten helpen het onderwerp verder te begrijpen.

De verzadigingstemperatuur is de temperatuur waarbij vloeistof kookt en van toestand verandert naar damp.
De verzadigingsdruk is de druk waarbij vloeistof kookt en van toestand verandert naar damp.
Damp is gas dat enkele vloeistofdruppels bevat, verdere verhitting van de damp zal ertoe leiden dat de damp gas wordt.

Naarmate de systeemdruk toeneemt, neemt ook de verzadigingstemperatuur toe, d.w.z. het punt waarop de vloeistof begint te transformeren in damp. Bijvoorbeeld, zoet/zoet water zal koken bij een temperatuur onder 100⁰C (212⁰F) als de druk lager is dan de atmosferische druk (1 bar, 14,5 psi). Evenzo, als de systeemdruk wordt verhoogd tot 100 bar (145 psi), zal zoet water pas beginnen te koken bij een temperatuur veel hoger dan 100⁰C (212⁰F). Dus door de systeemdruk te regelen, is het mogelijk om de verzadigingstemperatuur van het koelmiddel te regelen en dienovereenkomstig zijn toestand op verschillende punten binnen het systeem.

Kookpunt Gebaseerd op Druk en Temperatuur

Kookpunt Gebaseerd op Druk en Temperatuur

De verzadigingstemperatuur- en drukmetingen zijn vooral belangrijk voor de verdamper en condensor omdat het koelmiddel de verzadigingstemperatuur moet benaderen om te verdampen of te condenseren.

Temperatuur-, druk- en verzadigingstemperatuurrelaties worden aangegeven in koeltemperatuur-drukgrafieken. Aangezien elk type koelmiddel verschillende eigenschappen heeft (verschillende verzadigingstemperatuur, enz.), moet de juiste grafiek worden gekozen voor het juiste koelmiddel.

3D Model Details

Dit 3D-model vertegenwoordigt een typische huishoudelijke koelkast. De uitvinding van koelkasten heeft de loop van de menselijke ontwikkeling enorm veranderd. Het is nu mogelijk om voedsel maandenlang op te slaan voordat het wordt geconsumeerd en dit heeft de mensheid bevrijd van de schaarste- en overvloedcycli die gepaard gaan met de wisseling van de seizoenen. Bovendien is het nu mogelijk om voedsel over aanzienlijke afstanden te vervoeren voordat het wordt geconsumeerd; dit heeft grote bevolkingsconcentraties mogelijk gemaakt in gebieden die traditioneel niet zo'n grote bevolking hadden kunnen ondersteunen. Het 3D-model toont: