Overzicht: geschiedenis en ontwikkeling van kunstmatige koeling

10 augustus 2020

De mens maakt al duizenden jaren gebruik van koude. In eerste instantie vooral voor het bewaren van producten, en met name de laatste honderd jaar ook voor een comfortabel binnenklimaat. We geven een overzicht van de historische ontwikkeling en de belangrijkste technieken.

Tekst: Harja Blok

De geschiedenis laat zien dat men in Mesopotamië, Egypte, Griekenland, Rome, en vanaf de middeleeuwen ook in diverse Europese landen heeft geprobeerd op natuurlijke wijze verkregen koeling (temperaturen lager dan de omgeving) toe te passen voor het bewaren van voedsel, het koelen van dranken, het vervaardigen van consumptie-ijs en het koelen van verblijfruimtes. Er werd sneeuw en ijs verzameld voor het warme seizoen of er werd op ingenieuze wijze gebruikgemaakt van het koelend effect van verdampend water.

IJskelders en -kasten
In ons land kennen we de ijskelders uit voorbije eeuwen, waarin tijdens de winter ijs werd opgeslagen dat tot in de zomermaanden kon worden gebruikt door banketbakkers en bierbrouwers. Ook werd in toenemende mate ijs geïmporteerd uit Scandinavië en de Grote Meren van Noord-Amerika. Welgestelden hadden de beschikking over een ijskast: een meubel van hout, geïsoleerd door kurk, met een ruimte waarin ijs (bevroren water) werd gelegd zodat het onderliggende koelvak tot bijna nul graden werd gekoeld. Elke week kwam de ijsleverancier langs en werd het gesmolten ijs vervangen en aangevuld. Koelwagons op de rails passen dit principe nog steeds toe, zowel met ijs (H₂O) als ‘droogijs’ (CO₂). En ook kleine viskotters maken nog altijd gebruik van ijs ‘van de wal’.

De opkomst van kunstmatige koeling
Aan de grootschalige toepassing hiervan kwam uiteindelijk een einde door de invoering van de mechanische opwekking van koude. Dat gebeurde echter pas in de 19e eeuw, toen voor het eerst serieuze pogingen werden ondernomen om kunstmatige koeling tot stand te brengen. Rond het midden van die eeuw slaagden ingenieurs erin door middel van het comprimeren van bepaalde stoffen, zoals ammoniak en zwaveldioxide, op mechanische wijze water te bevriezen. Het was de eerste toepassing die aansloot op de praktijk van het bewaren en importeren van natuurlijk ijs.

Aanvankelijk kwam de opkomende vraag naar kunstmatige koeling onder andere uit bierbrouwerijen. 

Maatschappelijke behoefte
In Europa en Noord-Amerika ontstond een steeds grotere maatschappelijke behoefte aan koeling. Aanvankelijk kwam die vraag vooral uit de behoefte van het brouwen van bier, het bewaren levensmiddelen en de vervaardiging van consumptie-ijs. De natuurlijke koudebronnen waren echter te duur (importeren van ijs) of schoten te kort (bewaren in ijskelders tot aan de zomermaanden).

Koelvraag bij brouwerijen
De vraag om koeling kwam vooral op door de vervaardiging van onder andere banketbakkersproducten en het brouwen van bier, vooral na de toenemende populariteit van het brouwsysteem met ondergisting (zoals bij Pilsener). Voor dat proces is constante koeling een voorwaarde. De toenmalige brouwerij van Heineken in Amsterdam was een van de eerste bedrijven die op grote schaal kunstmatige koeling toepaste zodat de import van ijs niet meer noodzakelijk was.

Opmars van de koelkast
Er ontstonden koel- en vrieshuizen waarin levensmiddelen langere tijd konden worden bewaard. Transport van vlees uit Zuid-Amerika kon nu plaatsvinden in koel- en vriesschepen. Vanaf de jaren dertig (VS) tot na Wereldoorlog II (Europa) kwam de koelkast in opkomst als algemeen gebruikt apparaat voor het bewaren van voedsel in winkels en woningen. Dit had een enorm effect op de wijze waarop levensmiddelen werden gedistribueerd voor de bevolking van de steeds grotere steden.

Ontwikkeling van airconditioning
In de jaren dertig van de vorige eeuw kwam in de VS de ontwikkeling van airconditioning op gang. Doel was het ontwikkelen van een aangenamer leefklimaat in gebouwen. Dat was niet uitsluitend voor het gerief. Door middel van airconditioning werden staten met een ongunstig (te warm) klimaat in het zuiden van de VS ook voor de doorsnee-Amerikaan bewoonbaar.
In Nederland kwam de behoefte aan interne klimaatregeling pas aan het einde van de 20e eeuw op gang. Aanvankelijk werd airconditioning in ons land ervaren als een dure luxe. Voorlopers waren de kantoorgebouwen die in volume groeiden en waar het binnenklimaat alleen met behulp van airconditioning dragelijk werd. De auto-industrie heeft airconditioning twintig jaar geleden onder het grote publiek gebracht. Toen men daardoor het effect ervan in de praktijk ondervond, groeide de behoefte aan deze comfortkoeling ook in particuliere woningen.

Warmtepomp: ‘omgekeerde airco’
In technisch opzicht hoort ook de warmtepomp thuis in dit verhaal. De warmtepomp is in feite ‘een omgekeerde airconditioner’: de warmte uit de condensor is het voornaamste ‘product’ en wordt onder andere voor woningverwarming toegepast. De reden daarvoor is dat een warmtepomp meer kilowatts aan warmte kan leveren dan wat aan vermogen wordt gebruikt om de installatie aan te drijven. Het verschil wordt door het ‘koelen’ van de buitenwereld (lucht of water) geleverd. Soms worden airco en warmtepomp in één installatie gecombineerd.

Warmte onttrekken
Koeling betekent het koelen van een ruimte of van een stof om de temperatuur tot onder die van de omgeving te verlagen en op dat niveau te handhaven. In feite wordt aan het te koelen object warmte onttrokken en deze warmte wordt aan de buitenwereld afgegeven. Dat gaat niet vanzelf, er is een bepaalde hoeveelheid energie voor nodig, bijna altijd in de vorm van elektriciteit.

Koelinstallatie bij Aviko (foto: Harja Blok).

Dampcompressie- en ad- en absorptiesystemen
Verreweg de meeste kunstmatige koude wordt opgewekt middels mechanische middelen, vooral volgens het dampcompressiesysteem. Verder zijn er de ad- en absorptiekoelsystemen, die nauw verwant zijn aan elkaar. Deze vorm van koeling maakt gebruik van een externe warmtebron. De efficiëntie ervan is lager dan die van een dampcompressiesysteem, maar er kan gebruik worden gemaakt van restwarmte uit een ander proces. Bovendien werkt het systeem praktisch geruisloos. Daarom vindt men vaak absorbtiekoelkastjes in hotelkamers, en omdat ze ook werken op een externe warmtebron zoals buta- of propaangas, in kampeerwagens en plezierjachten.

Alternatieve koelsystemen
Ten slotte zijn er nog alternatieve systemen die praktisch allemaal hun eigen nichemarkt hebben gevonden, zoals cryogene technieken (meestal met temperaturen lager dan –150 °C/123 K) in de medische en wetenschappelijke wereld. Verder zijn er elektrische effecten (Peltier), magnetisme, laser en systemen die meestal alleen onder laboratoriumomstandigheden worden toegepast voor onderzoek, zoals geluidskoeling. In de  airconditioningwereld is verdampingskoeling (adiabatische koeling) in opkomst vanwege de energetische en milieutechnische voordelen.

De Carnot-cyclus
De 19e-eeuwse jong gestorven geleerde Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) heeft de grondslag gelegd voor de studie van de thermodynamica, die ook voor de koeltechniek van groot belang is. De Carnot-cyclus is naar hem genoemd, een algemeen thermodynamisch theoretisch model dat ook op stoommachines en verbrandingsmotoren van toepassing is.

Werkingsprincipe van een koelinstallatie.

Vijftal elementen
Het Carnot-model kent een vijftal elementen die in alle koelinstallaties zijn terug te vinden. Vier elementen staan in een kringloop (buisleidingstelsel) in verbinding met elkaar. In die elementen en de buisleidingen bevindt zich het vijfde element: het vloeibare of gasvormige koudemiddel. De werking van het Carnot-model is in principe als volgt: de compressor (waarover later meer) ontvangt koudemiddel bij een lage temperatuur en druk aan de zuigzijde, en levert het gas via de compressie met hoge druk – en daardoor ook hoge temperatuur – af aan de perszijde.

Verschillende componenten
De volgende component – na de compressor – is een warmtewisselaar, de condensor. Het samengeperste gas wordt door de warmtewisselaar gekoeld aan de buitenwereld, door middel van lucht of water. Het koudemiddel zal daarbij (deels) condenseren tot vloeistof. De derde component is een expansieventiel: een toestel dat onder beheerste omstandigheden het koudemiddel doet expanderen in de vierde component, eveneens een warmtewisselaar. Door het expanderen daalt de temperatuur van het koudemiddel sterk.
In dat vierde element, de koeler – ook wel verdamper genoemd –  wordt de warmte uit de koelruimte onttrokken en aan het koudemiddel afgegeven. Het gas wordt nu door de compressor aangezogen en de cyclus begint opnieuw.

Opgenomen en afgeleverd vermogen
Het opgenomen vermogen van compressoren en het afgeleverd (koel-)vermogen van de gehele installatie wordt in Europa gewoonlijk conform het SI-stelsel aangegeven met de eenheid kW (kilowatt). De verhouding tussen opgenomen en afgeleverd vermogen wordt uitgedrukt als de COP: de Coefficiency Of Performance, die vaak kan oplopen tot een factor 4 à 5, of nog veel hoger. Een bescheiden koelkast heeft een koelvermogen van 300 watt. Vermogens van een megawatt of meer worden aangetroffen bij grote installaties in de procesindustrie.

De condensor van een huishoudkoelkast.

Huishoudkoelkast als voorbeeld
De vijf hoofdcomponenten zijn in een huishoudkoelkast eenvoudig terug te vinden:
• De compressor die door een zwart metalen omhulsel hermetisch van de buitenwereld is afgesloten.
• De condensor, het zwarte ‘rooster’ aan de achterzijde van de koelkast waar het koudemiddel zijn warmte overdraagt aan de omgeving.
• Het expansietoestel (in een koelkast meestal in de vorm van een lange dunne leiding, de ‘capillair’, waarin de druk valt).
• Het uit de capillair stromende koudemiddel komt ten slotte terecht in de koeler rond het vriesvak en doet daar zijn zegenrijk werk, waarna het weer door de compressor wordt aangezogen. Een thermostaat zorgt bij dit alles voor handhaving van de gewenste temperatuur.

Extra componenten en voorzieningen
Grotere koelinstallaties zijn voorzien van tal van extra componenten en voorzieningen, zoals pompen, mengvaten, filters om ongerechtigheden uit het koudemiddel af te vangen, olieafscheiders, waterafscheiders, drukregelaars, afsluiters, thermostaten, bypass-regelingen, kijkglazen, thermo-sensoren, ontdooisystemen en nog meer.  Steeds meer van deze componenten vallen onder toenemende invloed van de elektronische besturing van de installaties.

Scrolls van een scrollcompressor.

Zuiger- en scrollcompressoren
De meest toegepaste compressoren zijn zuigercompressoren. Ze zijn er in alle maten en uitvoeringen. Een koelkast heeft een zuiger kleiner dan een ouderwets garenklosje, de grote zuigercompressoren voor ammoniakinstallaties hebben soms twaalf of meer cilinders, met vele liters verplaatsingsvermogen.
Verder zijn er scrollcompressoren, die vooral worden toegepast in airconditioningsystemen en de daaraan verwante warmtepompen. Ze zijn stiller dan zuigercompressoren en hebben een hoog rendement. De werking berust op twee spiraalvormige onderdelen die op een bepaalde wijze in elkaar bewegen waardoor het koudemiddel van de buitenzijde van de spiralen naar het centrum wordt gecomprimeerd en afgevoerd. De vervaardiging van dit type compressor was sinds de jaren dertig een groot probleem. Pas toen in de jaren negentig de computer te hulp kwam (CAD/CAM) kon de scrollcompressor op economisch verantwoorde wijze worden gefabriceerd.

Schroef- en centrifugaalcompressoren
Bij installaties met grotere vermogens worden ook schroefcompressoren toegepast, al worden er ook mini-schroefcompressoren ontwikkeld. In een schroefcompressor transporteren twee schroefvormige cilinders tijdens het draaien het koudemiddel van de inlaat- naar de uitlaatzijde. De afdichting van de schroeven gebeurt door middel van grote hoeveelheden olie die worden meegesleurd. De olie wordt later in een forse olie-afscheider uit het koudemiddel/oliemengsel teruggewonnen. Fabrikanten ontwikkelen constructies die met minder of geen smeerolie kunnen werken.
Verder zijn er nog centrifugaalcompressoren (die worden ingezet voor zeer grote vermogens), schottencompressoren en andere constructies die rotatief (zonder heen- en weergaande delen) werken.

Koudemiddel als kringloopgas
Het gas dat zich bevindt in de kringloop wordt ‘koudemiddel’ genoemd. In niet-technische verhandelingen leest men vaak koelmiddel, maar dat is incorrect: koelmiddel is een vloeistof voor het passief koelen van motoren en processen. Een koudemiddel is een vloeistof met een laag kookpunt en thermodynamische eigenschappen die het geschikt maken voor transport van temperaturen in de koelinstallatie. Het wordt soms aangeduid met de merknaam (bijvoorbeeld Freon, Suva, Solstice), soms middels de chemische samenstelling (SO₂, NH₃, CO₂) en meestal door het internationale codenummer.

Online koudemiddelencongres wordt ‘bijzonder event’
De anderhalve-meterregel staat het congres over koudemiddelen op 21 september in Veenendaal in de weg. Omdat er nog steeds veel over het onderwerp te vertellen valt, hebben organisatoren KNVvK en RCC K&L besloten het congres door te laten gaan als online event. Alle informatie over het koudemiddelencongres vindt u op de congreswebsite.

Aanduiding middels R-nummers
Dat internationale codenummer wordt toegekend door ASHREA (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) dat de R-nummers (waarbij R staat voor refrigerant) benoemt, bijvoorbeeld R764 (zwaveldioxide), R717 (ammoniak) of R744 (koolstofdioxide). De meeste synthetische koudemiddelen zijn gewoonlijk bekend onder hun R-nummer, zoals R11, R12, R134a, R404A, R32. Er zijn tientallen synthetische koudemiddelen, die echter niet altijd (meer) in de handel zijn.

Het ‘ideale’ koudemiddel
Een ideaal koudemiddel heeft een zeer gunstige thermodynamische werking, is onbrandbaar, eenvoudig te hanteren en heeft een lage kostprijs. Het is in elke installatie toepasbaar en is volkomen veilig voor milieu, mens en dier. Zo’n middel bestaat echter niet, er moeten dus altijd afwegingen worden gemaakt. Vooral het niet-schadelijk zijn voor het milieu heeft de ontwikkelingen sinds de jaren tachtig van de 20e eeuw in een stroomversnelling gebracht.

Voor- en nadelen van natuurlijke gassen
Aanvankelijk gebruikten technici natuurlijke koudemiddelen zoals ammoniak, zwaveldioxide, en koolzuurgas. Al deze middelen hebben echter hun voor- en nadelen. We geven een paar voorbeelden daarvan:

Ammoniak (NH₃). Dit was en is thermodynamisch superefficiënt, maar wel giftig.

• Ammoniak (NH₃). Dit was en is thermodynamisch superefficiënt, maar wel giftig en heeft onaangename eigenschappen als het vrijkomt buiten het systeem. Bovendien verdragen ammoniak en koper elkaar niet, daarom mogen ammoniakinstallaties absoluut geen koper bevatten.

• Zwaveldioxide (SO₂) werkt wel goed maar heeft voor de rest eigenlijk alleen maar nadelen. Het is erg giftig, chemisch agressief en riekt kwalijk. Het wordt al tientallen jaren niet meer gebruikt en heeft als koudemiddel alleen historische betekenis.

• Koolstofdioxide (CO₂ is niet giftig en werkt prima, maar alleen onder zeer hoge druk. Het kan bij verkeerde behandeling in de leidingen van de installatie plotseling overgaan tot vaste stof (‘droogijs’). Toen synthetische koudemiddelen beschikbaar kwamen werd er daarom al spoedig afscheid van genomen. De laatste decennia krijgt CO₂ in verband met milieu-overwegingen echter weer veel aandacht en wordt het meer en meer toegepast. Alle grote fabrikanten leveren componenten en materialen voor CO₂-installaties.

Synthetische koudemiddelen
In de jaren dertig van de vorige eeuw werden de eerste synthetische koudemiddelen ontwikkeld, door ingenieurs van DuPont USA (bijvoorbeeld R11 en R12). Dit waren afgeleiden van methaan, waarbij een, meer, of alle waterstofatomen zijn vervangen door fluor en/of chloor. De thermodynamische eigenschappen van de op die manier ontwikkelde koudemiddelen zijn voortreffelijk. Bovendien zijn ze niet giftig, onbrandbaar en niet al te duur. De synthetische koudemiddelen verdreven alle andere gassen, behalve ammoniak dat in grote installaties heer en meester was – en nog steeds is.

Wereldwijd worden CFK’s en HFK’s (hier in binnen de EU verboden wegwerpcilinders) uitgefaseerd.

Keerzijde van CFK’s en HFK’s
In de jaren tachtig kwam men tot de ontdekking dat er ook een pikzwarte zijde aan het succes zat: de middelen die chloor bevatten hadden (en hebben) een rampzalige invloed op de ozonlaag hoog in de atmosfeer. Er kwam vrij snel een wereldwijd verbod, via het Protocol van Montreal. De boosdoeners waren zogeheten CFK’s (chloor-fluor-koolstof); ze werden tijdelijk vervangen door HFCK’s (waterstof-chloor-fluor-koolstof, zoals R22) en ten slotte door HFK’s (waterstof-fluor-koolstof, zoals R134A of R404A). Maar de rust is daarmee niet weergekeerd. HFK’s blijken voor het merendeel een slechte invloed te hebben op het broeikaseffect van de atmosfeer (tot 4.000 maal meer dan dezelfde hoeveelheid CO₂). Ook voor HFK’s is wereldwijd beperkende regelgeving ingevoerd, en veel ervan worden inmiddels uitgefaseerd.

Terug naar natuurlijk?
De huidige ontwikkeling is er grotendeels een van terugkeer naar de natuurlijke koudemiddelen. Propaangas (R290), hoewel brandbaar, heeft de synthetische koudemiddelen in Europese huishoudkoelkasten volledig vervangen. CO₂ kent een glorieuze opmars, vooral in supermarkten, en ammoniak verstevigt zijn marktpositie in grote installaties die bijvoorbeeld bij kunstijsbanen zijn te vinden. Behalve op het gebied van energiegebruik vinden de belangrijkste ontwikkelen en innovaties rond koelinstallaties dan ook gaande met betrekking tot de koudemiddelen.