Chiller

Denne artikkelen ble inngått i kvalitetssikringen av fysikkredaksjonen . Hvis du er kjent med temaet, er du velkommen til å delta i gjennomgangen og mulig forbedring av artikkelen. Diskusjonen om dette foregår foreløpig ikke på artikkeldiskusjonssiden, men på kvalitetssikringssiden av fysikk.

En kjølemaskin bruker en kompressor til å transportere termisk energi fra et kaldere sted å avkjøles til et varmere miljø. Mange kjølemaskiner er basert på en termodynamisk syklus . I bredere forstand er også adsorpsjonskjølere og absorpsjonskjølere inkludert, selv om de ikke har en mekanisk drivkraft (motor).

Hensikten med en kjøler er å kjøle den ned til en temperatur under omgivelsestemperaturen.

Kjølere er som varmepumper - sistnevnte bruker imidlertid varmen som avgis.

Chillers fungerer vanligvis i henhold til følgende prinsipper:

• Kald damp systemer bruker fordampende kjøling ved hjelp av kjølemidler som har egnede fordampningstemperaturer til den ønskede temperatur og trykkområde. Kjølemediet blir kontinuerlig utsatt for en faseovergang fra væske til gass og omvendt.
• Maskiner som bruker Joule-Thomson-effekten dispenserer med kondensering og bruker effekten at gasser kjøler seg ned når de utvides. Se også Linde-metoden . Med flertrinnssystemer er veldig lave temperaturer, f.eks. B. for flytende luft kan oppnås.

Kjøleprosesser som gjør seg uten gasser og bevegelige deler, kalles ikke kjølemaskiner i snevre forstand. Det er z. B. termoelektrisk kjøling ( Peltier-effekt ) og magnetisk kjøling ( magnetokalorisk effekt ).

historie

Produksjon av kulde ved å pumpe ut luft (mer presist: pumpe ut av gassfasen (bestående av luft og eterdamp) med et resultat av et trykkfall i karet og en reduksjon i væskevolumet) fra en glasskolbe halvfylt med dietyleter ble oppdaget i midten av 1700-tallet , men det var det er i utgangspunktet ingen praktiske anvendelser.

Verdens første fungerende kjøler ble bygget i Florida i 1845 av den amerikanske legen John Gorrie , som lette etter måter å forbedre sjansene for bedring for sykehuspasienter i det varme, fuktige Florida. I følge den tidens medisinske doktrine var “dårlig luft” en viktig sykdomsfaktor , og vinterisen som ble hentet inn fra de nordlige store innsjøene , som var det eneste kjølevæsken, var veldig dyr i Florida på grunn av de store transporttapene. Gorries maskin, som brukte det omvendte prinsippet til Stirling- motoren, ble brukt til å lage is og samtidig til å kjøle ned rommet (klimaanlegg). En prototype ble bygget. Men maskinen var en økonomisk feil (patentsøknad 8080, 6. mai 1851). Gorrie døde noen år senere, fattig og lo av.

Det var ikke før 1870-tallet at kjølemaskiner ble økonomiske; de ​​første store brukerne var bryggerier , som var i stand til å brygge bunnfermentert , lengre holdbar lager i følge Pilsen-metoden, selv uten naturlige, kule hulesystemer . Den tyske industrimannen Carl von Linde var en av de første store produsentene .

Utførelse av systemet for varmeoverføring

Kulden som "genereres" av kjølemaskinen, kan brukes til tekniske prosessformål , for klimaanlegg , for å lage is (ishaller) eller for å konservere eller kjøle mat. Varmen kan absorberes direkte eller indirekte. Ved indirekte avkjøling brukes et kjølevæske (kaldt vann eller saltlake - ofte som en blanding med glykol for å unngå frysing i ledningene), som blir avkjølt i den første varmeveksleren av fordampende kjølemedium og i den andre varmeveksleren absorberer varmen fra mediet som skal avkjøles. . Når det brukes direkte, brukes en varmeveksler som bærer fordampende kjølemedium på den ene siden og mediet som skal kjøles på den andre.

Typer

Hovedforskjellen mellom kompresjons- og sorpsjonskjølere er at i førstnevnte tilføres den nødvendige energien fullstendig som mekanisk arbeid, i sistnevnte imidlertid i form av varme. Sistnevnte krever bare mekanisk arbeid for å overvinne de interne trykktapene.

Den effektivitet er vanligvis basert på kompresjonskjølemaskin til den elektriske drivenergi, som oppstår sammenlignet med absorpsjon tydelig gunstigere verdier. En sammenligning av denne typen er imidlertid ikke tillatt, siden mekanisk eller elektrisk drivenergi ikke er tilgjengelig i naturen, men må genereres (konverteres) fra fossile eller regenerative kilder med tap, noe som også gjenspeiles i energiprisen. Hvis disse tapene er inkludert, er effektiviteten til sorpsjonskjølere også sammenlignbar i verdi, om ikke bedre.

Effektiviteten til kjølemaskiner kalles ytelseskoeffisienten .

Absorpsjon kjølere

Den absorpsjons-kjølemaskin har også et løsningsmiddel og en kjølemiddelkrets. Arbeidsvæsken består av to komponenter, et løsningsmiddel og kjølemediet. Kjølemediet må være helt løselig i løsningsmidlet. Absorpsjon kjølemaskiner med vann som kjølemiddel og en vandig litiumbromid (LiBr) løsning som løsningsmiddel er teknisk utbredt. Fordampningstemperaturer i vannet opp til ca. 3 ° C kan oppnås ved vakuumdrift. Absorpsjonskjølere som bruker ammoniakk (NH ₃ ) som kjølemiddel og vann som løsemiddel kan nå lavere temperaturer . I store ammoniakkabsorpsjons-kjølesystemer oppnås fordampningstemperaturer på -70 ° C.

Når det gjelder sorpsjonskjølere , tilsettes sorpsjonsvarmen, som må fjernes fra absorbatoren eller adsorpsjonsapparatet, som en ytterligere oppvarming . ${\ displaystyle Q_ {H}}$

Adsorpsjon kjølesystemer

Den adsorpsjon kjøleren arbeider med et fast oppløsningsmiddel, den "adsorbent", på hvilket kjølemiddel er adsorbert eller desorbert. Varme tilsettes prosessen under desorpsjon og fjernes under adsorpsjon. Siden adsorbenten ikke kan sirkuleres i en krets, kan prosessen bare kjøre diskontinuerlig. Derfor brukes to kamre med adsorbent, der adsorpsjonen og desorpsjonen går parallelt i løpet av en arbeidssyklus (6-10 minutter). Etter endt arbeidssyklus byttes varmetilførsel og varmespredning til de to kamrene (overgang, ca. 1 min.). Deretter begynner adsorpsjon og desorpsjon igjen parallelt. Dette betyr at nesten jevn kjøling kan garanteres.

Diffusjonsabsorpsjon kjøleskap

Den diffusjon absorpsjons-kjølemaskin arbeider på en lignende måte til den absorpsjons-kjølemaskin, men den trykkforandring er implementert som en delvis trykkendring. Dette krever en tredje komponent for arbeidsfluidet, en inert gass . Deres fordel er at trykkskroget er hermetisk forseglet og ikke krever noen avtakbare tetninger, og at apparatet fungerer stille. Teknologien brukes for eksempel i kjøleskap på camping og hotell.

Kompresjonssystemer

I kompresjonskjøleskapsmaskinen strømmer et arbeidsmedium i en strømningskrets, vekselvis absorberer varme ved en lavere temperatur og frigjør (mer) varme ved en høyere temperatur. Pumping, dvs. innføring av mekanisk arbeid, er nødvendig for å holde strømmen og dermed prosessen i gang. Slike maskiner fungerer heller

• ved vekslende fordampning og kondensering av mediet (kjølemiddel), eller
• med et alltid gassformig medium (for det meste luft).

Den første typen er utbredt og brukes f.eks. B. i kjøleskap , frysere og frysere til husholdninger , dispenseringssystemer, kjølerom, klimaanlegg , skøytebaner, slakterier, bryggerier og kjemisk industri.

Kald dampkjøler: grunnleggende krets

I syklusen komprimeres gassformig kjølemiddel av en kompressor (ved hjelp av drivenergien ). I nedstrøms varmeveksleren ( kondensatoren ), idet kjølemediet kondenserer, hvorved varme det ved høy temperatur gir (kondensasjonsvarme ) som svarer til den høye også ved høye trykk kondensasjonstemperaturen . Det flytende kjølemediet ledes til en gassanordning, der trykket reduseres. I den andre varmeveksleren ( fordamper ) absorberer kjølemediet deretter varme ved lav temperatur ved fordampning, f.eks. B. fra kjølerommet i kjøleskap (fordampningsvarme ). Kompressoren suger inn fordampet kjølemedium igjen og syklusen er stengt. Følgende gjelder , hvor er spillvarmen som kompressoren gir direkte til miljøet. ${\ displaystyle W}$${\ displaystyle Q_ {H}}$${\ displaystyle Q_ {K}}$${\ displaystyle Q_ {H} + A = W + Q_ {K}}$${\ displaystyle A}$

Den andre typen fungerer også med en kompressor som komprimerer arbeidsmediet (ofte luft), hvorved det varmes opp. Deretter gir den varme til det varme miljøet, hvor det avkjøles, men forblir gassformig. Så flyter det z. B. av en turbin som slapper av og kjøler den ned ytterligere. Turbinen returnerer noe av det mekaniske arbeidet som brukes av kompressoren. Mediet absorberer deretter varme fra rommet som skal avkjøles før det komprimeres igjen. Prosessen kan også utformes på en åpen måte ved å suge inn, komprimere, avkjøle og slappe av luft fra omgivelsene, hvorpå den ledes inn i rommet som skal kjøles ned (f.eks. Det indre av en bil eller bygning).

I stedet for en kompressor og turbin, kan et slikt system også fungere med en maskin som tilsvarer Schukey-motoren , som tar over komprimering og utvidelse av gassen; denne løsningen er teknisk enklere. Denne konstruksjonen er blant annet av interesse for klimaanlegg for biler, der fordelen er særlig viktig at det ikke kreves noe kuldemedium som kan slippe ut i tilfelle en ulykke og muligens til og med utgjøre en brannfare (avhengig av typen kjølemiddel).

Ekspansjonen med forsterkning i mekanisk arbeid (turbin) kan i prinsippet også erstattes av en enkel struping av gassen, fordi ekte gass blir avkjølt ved adiabatisk struping (i motsetning til ideell gass , hvis temperatur forblir den samme). Effektiviteten til systemet er da mye dårligere. Avkjølingen av gassen er mye mindre, og det nyttige arbeidet som turbinen gir elimineres.

For drift av en kjølemaskin, i henhold til termodynamikkens andre lov , må energi tilføres fra utsiden i form av mekanisk arbeid, fordi først da kan varme transporteres fra ett sted med en lavere temperatur til et annet med en høyere temperatur.

Kjølesystem for dampstråle

Det dampstrålekjølesystemet er et termisk kjølesystem hvor det anvendes vanndamp som et drivmiddel, kjølemiddel og kjølemiddel. Ekspansjonen og avslapningen av en vanndampstråle skaper et vakuum og suger inn vanndamp fra en fordamper. Fordampningen avkjøler vannreservoaret i fordamperen og kan derfor brukes som kjølevæske.

Joule-Thomson-effekt (JTE), Linde-metoden

For å generere kulde reduseres temperaturen på en gass (f.eks. Luft, helium) som ikke kondenserer ut i arbeidsområdet ved struping. Med JTE kan det oppnås en avkjøling på ca. 0,4 K per bar trykkforskjell (luft ca. 1/4 K / bar, CO ₂ ca. 3/4 K / bar) ved gassen. Selv om denne effekten tilsynelatende er veldig liten, kan den også brukes til å oppnå lave temperaturer nær absolutt null. Systemer er ofte designet i flere trinn.

Apparatrepresentasjonen til et Joule-Thomson-system ligner på en komprimeringskjølemaskin, men varmevekslerne er ikke bygget som en kondensator eller fordamper. For energisk optimalisering er det nødvendig å forkjøle gassen i en gjenopprettende (motstrøms) varmeveksler med gassen tilbake fra kjøleren oppstrøms ekspansjonsventilen (gasspjeld).

I 1895 brukte Carl von Linde et slikt system for flyting av luft og flytende ganske store mengder (1  bøtte / t) luft. Den tekniske prosessen for flytende og separering av luft basert på Joule-Thomson-effekten har siden blitt kalt Linde-prosessen.

Det er imidlertid avgjørende for kjøling i henhold til Joule-Thomson-metoden at utgangstemperaturen er under den inverse temperaturen T _{i i} den respektive gass. Dette er ca. +659 ° C for luft, −80 ° C for hydrogen og −239 ° C for helium. Hvis en gass ekspanderes under inversjonstemperaturen, kjøler den seg ned. Hvis den ekspanderes over sin inversjonstemperatur, varmes den opp. For å kunne avkjøle en gass i henhold til JT-prosessen, må starttemperaturen derfor være under inversjonstemperaturen. For en van der Waals-gass kan denne temperaturen beregnes ved hjelp av følgende ligning, som tilsvarer det indre trykket , gassens medvolum, den kritiske temperaturen og den universelle gasskonstanten . ${\ displaystyle a}$${\ displaystyle b}$${\ displaystyle T_ {k}}$${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle T_ {i} = 6 {,} 75 \ cdot T_ {k} = {\ frac {2 \ cdot a} {R \ cdot b}}}$

Pulserørs kjøler

Skjematisk struktur av en pulsrørkjøler

En pulsrørkjøler er en kjølemaskin hvis funksjonelle prinsipp tilsvarer omtrent en Stirling- motor, men som ikke krever noen mekanisk bevegelige deler. Dette muliggjør svært kompakte kjølehoder, og den oppnåelige minimumstemperaturen er ikke begrenset av den mekaniske friksjonsvarmen til disse delene. Den laveste temperaturen hittil ble nådd rundt 1,3 K (= –272 ° C).

Termoelektrisk effekt, Peltier-element

Et Peltier-element , som drives elektrisk og ikke krever kjølemiddel, kan også brukes til kjøling (eller oppvarming) . Med store temperaturforskjeller (50 ... 70 K) synker kjølekapasiteten til null. For høyere temperaturforskjeller brukes pyramideformede flernivåstrukturer.

Denne teknologien brukes til å stabilisere temperaturen på halvlederlasere og sensorer, i kjølebokser for kjøretøy, i termiske syklister (PCR) og for å avkjøle bilderegistratorer i kameraer fra infrarød til UV .

Magnetisk kjøling

En annen avkjølingsmetode er basert på de magnetiske egenskapene til visse stoffer. Når magnetisert, frigjør noen stoffer varme; disse kalles da magnetokaloriske stoffer. Ved magnetisk avkjøling plasseres stoffet i et magnetfelt , hvorved det varmes opp; varmen blir for det meste forsvunnet her ved hjelp av en kjølevæske. Stoffet, som er brakt tilbake til omgivelsestemperatur, forlater nå magnetfeltet og demagnetiserer seg selv i området som skal avkjøles. Under demagnetisering absorberer stoffet varme. Mekanisk arbeid må påføres fra utsiden for å fjerne magnetisert materiale fra magnetfeltet.

Slike kjølesystemer er vanligvis mer effektive enn systemer som fungerer med damp, men dyrere fordi egnede magnetokaloriske stoffer, f.eks. B. gadoliniumforbindelser er dyre.

Fordampingskjøling

Ved fordampingskjøling blir energi i form av varme ( entalpi av fordampning ) ekstrahert fra et medium (f.eks. Luft eller overflate) gjennom fordampning av vann . Innen forsyningsteknikk kalles fordampingskjøling også ofte adiabatisk eller adiabatisk kjøling, siden den fysiske prosessen teoretisk er en isenthalpisk omdannelse av fornuftig varme til latent varme . Det er en varmeoverføringsprosess fra høy til lav temperatur som forsterkes av en faseovergang (vann til damp) og representerer dermed en selvkjørende, "medurs" (= kjøling) termodynamisk syklus . Derfor, bortsett fra transport av luft og vann, er det ingen ekstra mekanisk, elektrisk eller termisk energi er nødvendig.

Eksempel på fordampningskjøling i h-x-diagrammet

Den mulige grad av kjøling avhenger av omgivelsestemperaturen og luftfuktigheten, dvs. relativ luftfuktighet : Med en relativ luftfuktighet nær 100%, dvs. luftmettet eller til og med overmettet med vanndamp (som med tåke ), er effekten nesten ikke påvisbar , Metningens damptrykk i vannet i luften er for høyt. Jo lavere den relative fuktigheten er, jo høyere er potensialet for ytterligere fuktabsorpsjon, og jo mer vann kan dermed fordampe og redusere lufttemperaturen. Alle endringer i luftens tilstand kan vises i Mollier h, x-diagrammet (absolutt fuktighet kontra temperatur). Det totale energiinnholdet i luften er gitt i kJ / kg. Siden hele energiinnholdet ikke endres under fordampningskjøling (adiabatisk), forandres tilstandsendringen alltid på ishallen i diagrammet ( const kJ / kg) fra øvre venstre til nederste høyre. Metningslinjen når endelig en relativ luftfuktighet på 100%. For eksempel inneholder luft med en temperatur på 21 ° C og 40% relativ fuktighet en entalpi på 36,7 kJ / kg, hvis du følger forløpet til disse isenthalpene i diagrammet, krysser det duggpunktlinjen ved 13 ° C og 100% relativ fuktighet. En lavere temperatur enn 13 ° C kan ikke oppnås her ved fordampning.

Fordampingskjøling er den avgjørende fysiske prosessen bak kjøleeffekten av svette (eller for eksempel hud som er utsatt for vinden og fuktet for hånd), hvis effektivitet, som diskutert, f.eks. B. blir ikke lenger gitt i badstue. Denne typen kjøling ble også brukt tidlig i teknologihistorien, leirekar har vært kjent siden antikken, som er fuktet og tillater fordampning via overflaten med åpen pore, som kjøler innholdet (f.eks. Smørkjøler laget av leire). Et annet eksempel på tidlig bruk er vindtårnet i forbindelse med en qanat . Når det gjelder prosessteknologi, brukes effekten i moderne systemer slik. B. brukt i det våte kjøletårnet . I Mellom-Europa kan dette vanligvis levere en kjølevannstemperatur på rundt 27 ° C ved en utetemperatur på 32 ° C, dvs. en temperatur godt under det omkringliggende området.

Ytelsesfigur

Effektiviteten til kjølere og varmepumper er indikert ved hjelp av ytelseskoeffisienten eller ytelsestallet . Avhengig av sammenheng brukes forkortelsene EER ( engelsk energieffektivitetsforhold ) for kjølemaskiner og COP ( engelsk ytelseskoeffisient ) for varmepumper i stedet. Disse variablene indikerer forholdet mellom kjøle- eller oppvarmingskapasitet og den tekniske (mekaniske eller elektriske) kapasiteten som brukes. ${\ displaystyle \ varepsilon}$

For et kjølesystem som trekker kjølekapasiteten fra det kalde reservoaret ved hjelp av den tekniske kapasiteten : ${\ displaystyle P}$${\ displaystyle P _ {\ rm {K}}}$

${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ text {Cooling}} = EER = {\ frac {P _ {\ rm {K}}} {P}}}$

Den tekniske effekten tilsvarer forskjellen mellom spillvarmeeffekten og den forbrukne kjøleeffekten, slik at: ${\ displaystyle P _ {\ rm {H}}}$

${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ text {Cooling}} = EER = {\ frac {P _ {\ rm {K}}} {P _ {\ rm {H}} - P _ {\ rm {K}}}}}$.

Den effektivitet av en varmekraftmaskin er definert som forholdet mellom den tekniske effekt som genereres og den varmekraft som absorberes fra det varme reservoar . Det tilsvarer derfor gjensidigheten av COP: ${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle P = P _ {\ rm {H}} - P _ {\ rm {K}}}$${\ displaystyle P _ {\ rm {H}}}$

${\ displaystyle \ eta = {\ frac {P _ {\ rm {H}} - P _ {\ rm {K}}} {P _ {\ rm {H}}}}}$

Lovbestemmelser

For kjølere er det lovbestemmelser om brukte kjølemidler og effektivitet. EcoDesign ERP-regulering for sesongens effektivitetskrav er planlagt til 2021.

Se også

• Kjøleskap lastebil
• Kryogenikk
• HVAC-system
• Avsetning kjølesystem

litteratur

• IKET (Hrsg.): Pohlmann-Taschenbuch der Kältetechnik. Grunnleggende, applikasjoner, arbeidsbord og forskrifter . 19. reviderte og utvidede utgave 2008. CF Müller Verlag, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-7880-7824-9
• Hans-Liudger Dienel : Stedet for forskning og utvikling i tysk kjøleteknikk, 1880-1930 . I: Technikgeschichte, 62nd Vol. (1995), H. 1, s. 49-69.

Individuelle bevis

1. ↑ D. Lüdecke, C. Lüdecke: Termodynamikk . Springer-Verlag, 2000, ISBN 978-3-540-66805-3 , pp. 340 ( google.de [åpnet 27. desember 2013]). 
2. ↑ Kjølere klar for EcoDesign ErP-regulering 2021 .

weblenker

• Den eldste kjølemaskinen i verden på Auer Mühlbach
• Informasjonsplattform for kjøleteknologi, grunnleggende, teknologi, publikasjoner, anvendelse av kjøleteknologi, adresser, stoffer og forskrifter
• Kjølemaskinens historie (PDF; 401 kB)
• Prosjektinformasjon: Kjølelager i store kaldt nettverk