CHŁODZENIE

CHŁODZENIE
Chłodzenie polega na odprowadzaniu energii cieplnej ze środowiska chłodzonego w celu
uzyskania i utrzymania temperatur niŜszych od temperatury otoczenia.
Sposoby chłodzenia:
• przeponowe
• bezprzeponowe
• współprądowe
• przeciwprądowe
Chłodzenie stosuje się w operacjach jak krystalizacja, destylacja i w innych reakcjach
egzotermicznych. Szereg procesów chemicznych wymaga niskich temperatur (np.diazowanie,
sulfonowanie). Jako środki chłodzące (medium chłodzące) moŜna stosować: powietrze, lód,
wodę, mieszaniny oziębiające, ciekły azot lub suchy lód.
Do oziębienia medium chłodzącego do odpowiedniej temperatury stosuje się chłodziarki.
Sposoby uzyskiwania obniŜonych temperatur:
topnienie – przejście ze stanu stałego w ciekły
Ciepło potrzebne do przeprowadzenia tego procesu pobierane jest z otoczenia
(środowiska chłodzonego). Przykładem jest lód wodny, który był wykorzystywany od
tysięcy lat w lodówkach juŜ przez ludzi pierwotnych;
sublimacja – przejście ze stanu stałego w gazowy
Temperatura i ciepło sublimacji zaleŜą od ciśnienia. W technice najczęściej
wykorzystywany jest zestalony dwutlenek węgla – suchy lód;
parowanie – przejście ze stanu ciekłego w gazowy (parę)
Często realizowane jako wrzenie, czyli intensywne parowanie w całej objętości.
Temperatura i ciepło parowania zaleŜą od ciśnienia. Wraz ze spadkiem ciśnienia
obniŜa się temperatura parowania. Zjawisko to wykorzystywane jest w urządzeniach
chłodniczych spręŜarkowych, strumienicowych i absorpcyjnych;
efekt Joule'a Thomsona (nie mylić ze zjawiskiem Thomsona)
Ekspansja gazu za pomocą dławienia izentalpowego. W przemianie tej nie wykonuje
się pracy zewnętrznej, a ciśnienie obniŜa się bardzo szybko, tak Ŝe podczas procesu
nie ma wymiany ciepła z otoczeniem. To zjawisko wykorzystywane jest w uŜywanych
powszechnie spręŜarkowych urządzeniach chłodniczych;
rozpręŜanie gazów
Ekspansja spręŜonego gazu połączona z wykonaniem pracy zewnętrznej powoduje
obniŜenie temperatury. Zjawisko to jest wykorzystywane w powietrznych
urządzeniach chłodniczych oraz w urządzeniach do skraplania gazów;
efekt Peltiera
Powstawanie róŜnicy temperatur pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez
złącze złoŜone z dwóch róŜnych materiałów;
efekt Ranque'a – Hilscha
Zjawisko polegające na ziębieniu wirowym uzyskiwanym w tzw. rurze wirowej.
Stosowane do zasilania laboratoryjnych komór chłodniczych, przyrządów
hipotermicznych, klimatyzatorów indywidualnych (np. skafandry chroniące przed
wpływem wysokich temperatur oraz ciśnień);
zjawisko desorpcji
w czasie desorpcji (uwalniania gazu przez ciecz) z otoczenia pobierane jest ciepło.
Proces ten moŜe być realizowany zarówno w małych urządzeniach (domowe
chłodziarki absorpcyjnych, pompy ciepła), jak i w duŜych urządzeniach chłodniczych
o wydajności sięgającej 1000kW. Bywa uŜywany w urządzeniach laboratoryjnych do
otrzymywania temperatur w zakresie pomiędzy temperaturami ciekłego wodoru
i ciekłego helu (bez skraplania helu);
efekt magnetokaloryczny
Rozmagnesowanie ciał paramagnetycznych wcześniej poddanych działaniu silnego
pola magnetycznego, co jest połączone ze spadkiem temperatury.
termoakustyka
w wyniku działania fali akustycznej na specjalnie skonstruowanym wymienniku-stosie
wytwarza się gradient temperatury
Chłodziarka jest to urządzenie (maszyna cieplna), którego zadaniem jest obniŜenie
temperatury środowiska chłodzonego lub medium chłodzącego, kosztem doprowadzonej
energii.
Rodzaje chłodziarek:
•
•
•
•
•
•
spręŜarkowa
absorpcyjna
adsorpcyjna
termoelektryczna
magnetyczna
termoakustyczna
W chłodziarkach absorpcyjnych energia dostarczana jest w postaci ciepła, natomiast w
pozostałych w postaci pracy. Chłodzonym czynnikiem moŜe być powietrze, woda lub inny
czynnik pośredniczący (chłodziwo) (dawniej freon obecnie zastąpiony np.R600 – butan).
Chłodziarka spręŜarkowa
W parowniku, który jest umiejscowiony w środowisku chłodzonym, panuje niskie ciśnienie
więc i temperatura. Znajdujący się tam czynnik chłodniczy wrze, intensywnie odbierając
ciepło. Następnie jest zasysany i spręŜany przez spręŜarkę po czym trafia do skraplacza, gdzie
pod wysokim ciśnieniem ulega skropleniu. Ciekły czynnik o temperaturze wyŜszej od
temperatury otoczenia trafia do elementu dławiącego, poniewaŜ jego ciśnienie musi zostać
obniŜone do ciśnienia panującego w parowniku. Podczas dławienia część czynnika
odparowuje powodując spadek temperatury pozostałej cieczy. Zimna mieszanina cieczowoparowa trafia do parownika i cykl się powtarza.
Chłodziarka absorpcyjna
Działa na zasadzie krąŜenia czynnika chłodniczego między absorberem (tutaj jest
pochłaniany) a desorberem (w chłodziarce tę funkcję spełnia warnik). W desorberze czynnik
chłodniczy wydziela się z roztworu.
Charakterystycznym typem chłodziarek absorpcyjnych jest chłodziarka gazowa. W typowej
chłodziarce warnikiem jest grzałka elektryczna, a w gazowej palnik gazowy. To rozwiązanie
jest często stosowane w miejscach, gdzie nie ma prądu, lub częste są jego zaniki, a urządzenie
łatwo moŜe być podłączone do butli gazowej, np. w przyczepach kempingowych. W tego
typu chłodziarkach często zamontowana jest teŜ grzałka i urządzenie moŜna zasilać zarówno
prądem jak i gazem.
Chłodziarka adsorpcyjna
Jest to urządzenie realizujące obieg chłodniczy w dość podobny sposób co chłodziarka
absorpcyjna, z tą jednak róŜnicą, Ŝe wykorzystywany jest proces adsorpcji. Ten fakt
powoduje, Ŝe urządzenie jest inaczej zbudowane. Adsorpcja zachodzi na powierzchni ciała
stałego (np.: węglu aktywnym).
Chłodziarka termoelektryczna
Chłodziarka termoelektryczna opiera swoje działanie na efekcie Peltiera. Elementem
chłodzącym są w niej Moduły Peltiera.
Chłodziarka magnetyczna
Są to urządzenia wykorzystujące efekt magnetokaloryczny. Ich zaletą jest sprawność wyŜsza
o ok. 40% od tradycyjnych konstrukcji.
Chłodziarka termoakustyczna
Jest to urządzenie wykorzystujące efekt termoakustyczny do obniŜania temperatury. Tego
typu urządzenia są najczęściej wykorzystywane do skraplania gazów w urządzeniach
laboratoryjnych.
Chłodzenie gazów odbywa się w urządzeniach zwanych skruberami Są to wieŜe metalowe
lub ceramiczne. Gaz, który naleŜy schłodzić, przepływa przez kolumnę od dołu a od góry
podawana jest, przez zestaw dysz, ciecz odbierająca od gazu ciepło. Skrubery są wypełnione
tzw. pierścieniami Raschiga lub siodełkami Berla, które zwiększają powierzchnię styku gazu i
cieczy.