Koeltechnologie

Warmte, een energieverschil

Materiaal kan in drie verschillende vormen voorkomen: gas, vast of vloeibaar. Deze vormen noemt men de aggregatietoestand. Water kan bijvoorbeeld voorkomen als damp, ijs of water. De transformatie van de ene toestand naar een andere vindt plaats op een vast punt en op dit punt verandert de warmte inhoud, terwijl de temperatuur hetzelfde blijft. De verborgen hoeveelheid warmte heet latente warmte.

Het vaste punt waar ijs verandert in water heet het smeltpunt. Dit gebeurt bij een temperatuur van 0°C en de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 kg ijs te laten smelten is 93 Watt. De temperatuur waarbij water verdampt heet het kookpunt. Dit gebeurt bij 100°C op 1 Bar, terwijl de latente warmte 268 Watt is. Druk beïnvloedt alleen het kookpunt en niet het smeltpunt.

  1. Condensering
  2. Verdamping
  3. Smelten
  4. Bevriezen
  5. Condensering
  6. Sublimatie

Aggregatietoestand van materiaal

Verdampingswarmte

Veel koelprocessen draaien om de verdampingswarmte van een vloeibare stof. Als een vloeibare stof verdampt, heeft het warmte nodig. Deze warmte wordt onttrokken uit de omgeving van de verdampende vloeibare stof.

Een vroeg voorbeeld van koelen door verdamping komt uit het oude Egypte. Stenen flessen, Gandis, werden gevuld met water. Door het poreuze materiaal sijpelde er water door naar de buitenkant van de fles en verdampte. Deze verdamping nam de hitte uit de fles en daardoor ook uit het water in de fles.

Terug naar boven

Koelen met basisvoorzieningen

Als melk voor langere tijd opgeslagen moet worden op de boerderij, is elke manier van koelen beter dan helemaal geen koeling. Maar als de koelvoorzieningen eenvoudig zijn en de tijd die nodig is om de melk te transporteren naar het verzamelpunt of zuivelfabriek betrekkelijk kort is, is het aan te raden de melk zo snel mogelijk te leveren aan het dichtstbijzijnde verzamelpunt.

Er zijn verschillende systemen beschikbaar om melk te koelen. De eenvoudigste systemen gebruiken water uit een put. Als er ruimschoots voldoende bronwater aanwezig is, kunnen de melkbussen ondergedompeld worden in de put. Als het water uit de put ook gebruikt wordt als drinkwater, is deze methode echter niet aan te raden. Het onderdompelen van de melkbussen kan gemakkelijk tot vervuiling van de put leiden. Simpele systemen die water gebruiken voor koeling brengen de melk op een temperatuur van maar 3-5°C boven de temperatuur van het water. Dit betekent dat water met een temperatuur van 11-12°C, de melk kan koelen tot ongeveer 15°C( op zijn laagst). Los van het feit dat deze temperatuur nog steeds hoog is, is water van 11-12°C meestal niet beschikbaar in warme tropische condities. Zulke condities vereisen kunstmatige koeling met speciale apparatuur.

Koelringen 

Als stromend water aanwezig is, kan de melk gekoeld worden door een geperforeerde buisvormige ring rond de hals van een bus met warme melk te hangen. Nadat de ring aangesloten is op de hoofdleiding, wordt er water over de bus gesproeid en vloeit het over het oppervlak. Als ijswater uit een koudwatertank wordt gebruikt zou het water voor hergebruik moeten worden opgevangen, bijvoorbeeld door de bus neer te zetten op een rek boven de koudwatertank.

Oppervlaktekoelers 

Oppervlaktekoelers bestaan uit een aantal horizontaal, op elkaar geplaatste buizen met een kleine diameter. Deze buizen komen aan elke kant uit in een header. Deze headers verbinden de buizen met elkaar, waardoor de koelvloeistof erdoorheen kan circuleren.

De warme melk wordt verspreid over het oppervlak van de koeler (de horizontale buizen), m.b.v. een pijp of een plateau met kleine openingen die aan de bovenste buis is vastgemaakt. Oppervlaktekoelers kunnen uit 2 zelfstandige delen bestaan die bovenop elkaar geplaatst zijn. Het bovenste deel wordt gekoeld met water uit een hoofdleiding of bron en het onderste gedeelte met ijswater of directe koeling. Het oppervlaktekoelsysteem, ook wel open koelsysteem genoemd, is eenvoudig, maar vereist wel een grondig reinigingsprogramma. Speciale aandacht moet er geschonken worden aan het voorkomen van vervuiling via de lucht.

Terug naar boven

Ijskegels

Als kleine hoeveelheden melk opgehaald en getransporteerd moet worden over een grote afstand en het is technisch of economisch niet mogelijk de melk vooruit te koelen, kunnen metalen ijskegels gebruikt worden. Deze kegels worden ingebracht in de melkbus zodat de rand van de kegel rust op de rand van de bus. Ze passen goed op de bus zodat voorkomen wordt dat melk uit de bus spat tijdens het hanteren en transporteren. De kegel neemt ongeveer eenderde van de inhoud van de bus in. Als de kegels gevuld zijn met ijsblokjes kan de melk tijdens het transport gekoeld worden van 30°C tot 5-10°C. De kegels en het ijs kunnen door de melktransportwagen naar de boerderij of de verzamelpunten gebracht worden. Het ijs moet vervoerd worden in een geïsoleerde doos en de kegels moeten goed gereinigd worden na gebruik, bij voorkeur op het koelcentrum of in de fabriek.

Koelen m.b.v. water en ijs, eenvoudig en bijna altijd geschikte technieken

Watertanks 

Het eenvoudigste koelsysteem betreft een open tank met koud water. Melkbussen worden in de tank geplaatst waar ze tot aan hun ‘nek’ worden ondergedompeld. Het water moet voortdurend of met enige regelmaat ververst worden.

Om voor ontluchting te zorgen tijdens het koelen moeten de deksels van de bussen los worden gedraaid. De tank kan bedekt zijn met een deksel om de melk te beschermen tegen vliegen en stof. Als bronwater of water uit een hoofdleiding wordt gebruikt, is het alleen mogelijk om langzaam en tot relatief hoge temperaturen te koelen. Betere resultaten worden bereikt door het gebruik van ijswater en de koelsnelheid wordt nog meer verbeterd door circulatie van het ijswater in de tank. Om koudeverlies tegen te gaan moeten de tank en het deksel geïsoleerd worden.

Terug naar boven

Moderne koelsystemen

Koelsystemen dragen de warmte uit de melk via een koelmiddel over aan de lucht of aan water. Deze overdracht gaat via een muur zodat er nooit direct contact is met de melk. Het koelmiddel absorbeert de warmte van de melk binnenin de verdamper. Bij een bepaalde druk heeft elk koelmiddel zijn eigen kookpunt. De koelsnelheid hangt af van het ontwerp van de apparatuur. De uiteindelijke temperatuur hangt af van de ingestelde thermostaat of van de melkstroom door de platenkoelers. Grote temperatuurverschillen verhogen de koelsnelheid. Hoge snelheid en turbulente bewegingen van vloeistoffen langs de muur zal de overdrachtsnelheid van de warmte verhogen.

Als melk op een moderne manier gekoeld wordt, is er elektriciteit nodig om de benodigde temperatuur te behalen. De elektriciteit stuurt de koelaggregaat aan die de verdampte vloeistof condenseert en van het proces een steeds terugkerende cyclus maakt.

De koelcyclus

De koelcyclus kan onderverdeeld worden in een lage- en een hogedrukzijde.

Een eenvoudige koelcyclus

Lagedrukzijde 

De verdamper is gedeeltelijk gevuld met een koelmiddel. Als de compressor start, wordt het gas boven de vloeistof weggezogen. Hierdoor zal de druk verminderen. De vloeistof begint te koken zodra de druk beneden de druk zakt van de huidige temperatuur. Delen die bij het koelmiddel horen zullen verdampen en zullen de hitte uit de overgebleven koelstof wegnemen. Dit maakt het overgebleven deel kouder. Als de temperatuur zakt onder de temperatuur van de melk, zal de hitte uit de melk naar het koelmiddel stromen. Deze hitte zorgt ervoor dat een gedeelte van het koelmiddel verdampt. De temperatuur zal constant blijven wanneer de hoeveelheid warmte die door de compressor getransporteerd is, gelijk is aan de hoeveelheid warmte van de melk.

Terug naar boven

Hogedrukzijde 

De hogedrukzijde van de compressor is verbonden met de condensor. Het doel van de condensor is het verwijderen van de condensatiehitte naar de omringende omgeving. De compressor pompt gas in de condensor. Zolang de druk beneden de druk blijft die bij de condensortemperatuur hoort, zal alleen de druk stijgen. Zodra de druk stijgt tot boven de druk die bij de condensortemperatuur hoort, zal er een hitteoverdracht beginnen van het gas naar de omringende omgeving. Eerst wordt de ‘superhitte’ weggenomen. De superhitte is het temperatuurverschil tussen het verhitte gas boven het kookpunt en het kookpunt. Condenseren zal hierna beginnen. Om te condenseren met een bepaalde capaciteit is er een bepaald temperatuurverschil nodig. De druk zal constant blijven zodra het temperatuursverschil groot genoeg is om al het gas te condenseren dat in de compressor gepompt wordt.

Om te zorgen dat dit proces door blijft gaan moet de vloeistof in de condensor terug in de verdamper worden gevoerd. Omdat de druk in de condensor altijd hoger is dan in de verdamper, kan dit eenvoudig gedaan worden door het realiseren van een pijpverbinding van de condensor naar de verdamper. Als er een klep in deze pijp is geïnstalleerd, kan de hoeveelheid koelvloeistof worden aangepast. Normaal gesproken werkt deze klep automatisch en wordt hij het thermostatische expansieventiel genoemd. Deze klep meet de druk van de verdamper en de temperatuur van de zuigpijp. De klep opent of sluit zich in overeenstemming met de superhitte.

De afzonderlijke delen van een koelinstallatie

Compressor Een gaspomp die lage druk creëert in de verdamper (lage temperatuur) en hoge druk in de condensor (hoge temperatuur).
Pressostaat Vooral gebruikt als bescherming aan de condenseerzijde van de installatie. Als de druk te hoog wordt, schakelt de pressostaat in en de compressor uit. Wordt ook gebruikt als bescherming tegen lage druk door lekkage en als een schakelaar om de compressor te stoppen aan het einde van een pump-down cyclus.
Condensor Het gedeelte waar het koelmiddel condenseert. De hitte uit het gas wordt vrijgelaten in de lucht en het gas verandert in vloeistof.
Vochtontvanger Bedoeld als opslagplaats voor het koelmiddel. Als de installatie in werking staat, is de ontvanger bijna leeg. Als de installatie stopt en er wordt een pumpdown systeem geïnstalleerd, wordt het koelmiddel in de ontvanger opgeslagen
Filter/droger Het filter is bedoeld om alle vaste deeltjes uit de vloeistof te halen. De droger wordt gebruikt om vocht te verwijderen, dat in zeer kleine hoeveelheden in het koelmiddel aanwezig is.
Elektromagneetklep In installaties met een pump-down systeem stopt deze klep de vloeistofstroom naar de verdamper.
Kijkglas Geeft de mogelijkheid te bekijken of er voldoende koelmiddel in de installatie aanwezig is.
Thermostatische expansieklep Geeft dezelfde hoeveelheid koelstof (in vloeibare vorm) terug aan de verdamper, als de compressor eruit haalt als gas.
Verdamper Gedeelte waar het koelmiddel verdampt en de warmte uit de melk haalt.
Thermostaat Controleert de temperatuur van de gekoelde melk door de compressor aan en uit te schakelen aan de hand van de temperatuur.

Directe expansiekoeling

Dit is het meest voorkomende melkkoelsysteem. De bodem van de tank is uitgevoerd als een verdamper terwijl de warmte van de melk door de roestvrijstalen wand naar het koelmiddel stroomt. Het koelmiddel verdampt, wat de warmte onttrekt aan de melk. Omdat directe expansie tanks geen koude buffer hebben, moet er altijd energie voorhanden zijn. Met behulp van dit systeem wordt de melk direct gekoeld en geroerd na aankomst in de tank.

Terug naar boven

Directe expansie koelsysteem, de meest gebruikelijke keuze

Voorkoelers

Melk stroomt van de koe naar een eindstation vanwaaruit het op een constant tempo door een filter gepompt wordt naar de platenkoeler. De platenkoeler bestaat uit gerimpelde roestvrijstalen platen. De melk vloeit over één zijde van deze platen terwijl aan de andere zijde kraanwater in tegengestelde richting stroomt. Wanneer de melk de platenkoeler verlaat is de temperatuur gereduceerd tot 2-4°C boven de watertemperatuur, voorafgaand aan de laatste koeling en opslag in de koeltank.

Voorkoelsysteem

Melk-/waterstroom in een voorkoeler/ warmtewisselaar

Voorkoelen met koud kraanwater verlaagt de totale en lopende kosten voor het bedrijf, omdat de vraag naar gekoeld water afneemt. Een vereiste hiervoor is natuurlijk een voorraad van goedkoop, natuurlijk koud water. Het is altijd mogelijk om voorkoelen te combineren met andere koelsystemen om de energiekosten nog meer te verlagen. Als kraanwater gebruikt is voor het voorkoelen, is het aan te raden het gekoelde water of het koude water te recyclen en het te gebruiken als drinkwater voor het vee. Als kraanwater niet hergebruikt wordt, zullen de kosten hiervan de besparingen op de energiekosten tenietdoen. Als bronwater gebruikt is voor het voorkoelen, is dit aspect veel minder belangrijk.

Terug naar boven

Directe koeling

Tegenwoordig worden boerderijen steeds groter. Dit betekent meer werk, meer koeien, meer melk en minder tijd tussen de melkbeurten. Dit proces bezorgt boeren aanzienlijke koelingproblemen, omdat alle melk gekoeld en opgeslagen moet worden. De totale hoeveelheid melk, gecombineerd met hoge melkstromen en langere melkperiodes, maken het moeilijker voor de traditionele opslagtanks om dit aan te kunnen.

Sneller melken betekent een grotere hoeveelheid melk in dezelfde tijd. Overvolle koelsystemen betekent tragere koeling en hogere bacterieaantallen. En lange koeltijden betekent langere beroering van de melk, wat het risico van verbotering met zich meebrengt. Het wordt moeilijker om de smaak en kwaliteit te handhaven waardoor de hele melkproductie in gevaar komt. Directe koeling is een in-line systeem die de melk in een kwestie van seconden koelt voordat het de opslagtank bereikt.

Directe koeling van 35 naar 3°C

De melk stroomt van de koe naar de eindeenheid en balanstank vanwaaruit het op een constant tempo door een filter gepompt wordt naar de platenkoeler. De platenkoeler is het hart van het koelsysteem en bestaat uit gerimpelde roestvrijstalen platen. De melk vloeit over één zijde van deze platen terwijl aan de andere zijde gekoeld water in tegengestelde richting stroomt. Wanneer de melk de platenkoeler verlaat is de temperatuur gereduceerd tot 2-4°C boven de watertemperatuur. De melk wordt constant naar de geïsoleerde opslagtank gepompt waar het, onder af en toe roeren, bewaard blijft tot het opgehaald wordt.

De stroom van melk/water in een diepkoel warmtewisselaar/ platenkoeler

Terug naar boven

Ecombies

Bij ecombies bestaat het koelproces uit twee stappen. Het is zeer voordelig om directe koeling met voorkoeling te combineren en gekoeld water te gebruiken. Voorkoelen met koud kraan- of bronwater verlaagt de totale kosten, inclusief de lopende kosten voor het bedrijf door de vraag naar gekoeld water te verminderen.

Melkkoeling met een ecombi-koeler

Bij het voorkoelen is de platenwarmtewisselaar verdeeld in twee secties. In het eerste deel wordt de melk gekoeld met koud kraan- of bronwater. In het tweede gedeelte wordt de melk verder gekoeld tot aan de uiteindelijke opslagtemperatuur door gekoeld water te gebruiken.

Melk-/waterstroom in een ecombi-koeler warmtewisselaar

At DeLaval we use cookies to make your website experience better. You can change your web browser settings if you do not allow cookies or do not want cookies to be saved. Read more about how DeLaval handles cookies. I have read and accepted the information on how DeLaval handles cookies.