Chiller

Acest articol a fost înregistrat în asigurarea calității echipei editoriale de fizică . Dacă sunteți familiarizat cu subiectul, sunteți binevenit (ă) să participați la revizuirea și la posibila îmbunătățire a articolului. Schimbul de opinii despre acest lucru nu are loc în prezent pe partea de discuție a articolului, ci pe partea de asigurare a calității fizicii.

O mașină frigorifică folosește un compresor pentru a transporta energia termică dintr-un loc mai rece pentru a fi răcită într-un mediu mai cald. Multe refrigeratoare se bazează pe un ciclu termodinamic . În sens mai larg, sunt incluse și răcitoarele de adsorbție și răcitoarele de absorbție , deși nu au un mecanism de acționare (motor).

Scopul unui răcitor este să se răcească la o temperatură sub temperatura ambiantă.

Chillerele sunt similare cu pompele de căldură - acestea din urmă utilizează însă căldura pe care o degajă.

Chillerele funcționează de obicei conform următoarelor principii:

Sistemele cu vapori reci utilizează răcirea prin evaporare prin intermediul agenților frigorifici care au temperaturi de evaporare adecvate pentru temperatura și intervalul de presiune dorite. În circuit, agentul frigorific este supus în mod constant unei tranziții de fază de la lichid la gaz și invers.
Mașinile care utilizează efectul Joule-Thomson renunță la lichefiere și folosesc efectul că gazele se răcesc atunci când sunt extinse. Vezi și metoda Linde . Cu sisteme cu mai multe trepte, temperaturi foarte scăzute, de ex. B. pentru lichefierea aerului se poate realiza.

Procesele de răcire fără gaze și piese mobile nu sunt denumite mașini frigorifice în sens restrâns. Există z. B. răcirea termoelectrică ( efect Peltier ) și răcirea magnetică ( efect magnetocaloric ).

poveste

Generarea de frig prin pomparea aerului (mai precis: pomparea din faza gazoasă (constând din aer și vapori de eter) cu rezultatul unei reduceri a presiunii în vas și o scădere a volumului lichidului) dintr-un balon de sticlă jumătate umplut cu dietil eter a fost descoperit încă de la mijlocul secolului al XVIII-lea , dar inițial nu existau aplicații practice.

Primul refrigerator funcțional din lume a fost construit în Florida în 1845 de medicul american John Gorrie , care căuta modalități de a îmbunătăți șansele de recuperare pentru pacienții din spital în Florida fierbinte și umedă. Conform doctrinei medicale a vremii, „aerul rău” era un factor major de boală , iar gheața de iarnă adusă din nordul Marilor Lacuri , care era singura modalitate de răcire, era foarte scumpă în Florida din cauza pierderilor mari de transport. Mașina lui Gorrie, care folosea principiul invers al motorului Stirling , a fost folosită pentru a produce gheață și, în același timp, pentru a răci camera (aer condiționat). A fost construit un prototip . Mașina a fost un eșec financiar (cererea de brevet 8080, 6 mai 1851). Gorrie a murit câțiva ani mai târziu, sărăcită și de râs.

Abia în anii 1870, mașinile de refrigerare au devenit economice; primii utilizatori majori au fost fabricile de bere , care au fost capabile să fabrice lager fermentat la fund , de lungă durată, conform metodei Pilsen, chiar și fără sisteme naturale de peșteri reci . Industrialul german Carl von Linde a fost unul dintre primii mari producători .

Executarea sistemului de transfer de căldură

Frigul „generat” de mașina frigorifică poate fi utilizat în scopuri tehnice de proces , pentru aer condiționat , pentru a face gheață (patinoare) sau pentru a conserva sau a răci alimentele. Căldura poate fi absorbită direct sau indirect. În cazul răcirii indirecte, se folosește un agent de răcire (apă rece sau saramură - adesea ca amestec cu glicol pentru a evita înghețarea în linii), care este răcit în primul schimbător de căldură de agentul frigorific evaporat și în al doilea schimbător de căldură absoarbe căldura mediului de răcit. Când este utilizat direct, se folosește un schimbător de căldură care transportă agentul frigorific de evaporare pe o parte și mediul de răcit pe de altă parte.

Tipuri

Principala diferență între răcitoarele de comprimare și de sorbție este că, în primul, energia necesară este complet alimentată ca lucrare mecanică, în cel din urmă, totuși, sub formă de căldură. Acestea din urmă necesită doar lucru mecanic pentru a depăși pierderile de presiune interne.

Eficiența se bazează de obicei pe masina de compresie la frigorific energia electrică de acționare, care apar în raport cu sorbție valori în mod clar mai favorabile. O comparație de acest tip nu este permisă, totuși, deoarece energia mecanică sau electrică de acționare nu este disponibilă în natură, ci trebuie generată (convertită) din surse fosile sau regenerative cu pierderi, ceea ce se reflectă și în prețul energiei. Dacă aceste pierderi sunt incluse, eficiența răcitoarelor de sorbție este, de asemenea, comparabilă din punct de vedere valoric, dacă nu chiar mai bun.

Eficiența mașinilor frigorifice se numește coeficient de performanță .

Chillere de absorbție

Răcitorul de absorbție are , de asemenea , un solvent și un circuit de agent frigorific. Fluidul de lucru este format din două componente, un solvent și agentul frigorific. Agentul frigorific trebuie să fie complet solubil în solvent. Răcitoarele de absorbție cu apă ca agent frigorific și o soluție apoasă de bromură de litiu (LiBr) ca solvent sunt răspândite tehnic. Cu funcționarea în vid, se pot atinge temperaturi de evaporare a apei de până la aproximativ 3 ° C. Răcitoarele de absorbție care utilizează amoniac (NH ₃ ) ca agent frigorific și apa ca solvent pot atinge temperaturi mai scăzute . În sistemele de refrigerare pe scară largă cu absorbție de amoniac, se ating temperaturi de evaporare de -70 ° C.

În cazul răcitoarelor de absorbție, căldura de absorbție, care trebuie îndepărtată din absorbant sau adsorbant, se adaugă ca o putere de încălzire suplimentară . ${\ displaystyle Q_ {H}}$

Sisteme frigorifice de adsorbție

Chiller adsorbție funcționează cu un solvent solidă, „absorbant“, pe care agentul frigorific este adsorbit sau desorbit. Căldura este adăugată la proces în timpul desorbției și eliminată în timpul adsorbției. Deoarece adsorbantul nu poate fi circulat într-un circuit, procesul poate rula doar discontinuu. Din acest motiv, sunt utilizate două camere cu adsorbant, în care adsorbția și desorbția au loc în paralel în cadrul unui ciclu de lucru (6-10 minute). După încheierea ciclului de lucru, se schimbă alimentarea cu căldură și disiparea căldurii către cele două camere (comutare, aprox. 1 min.). Apoi adsorbția și desorbția încep din nou în paralel. Aceasta înseamnă că aproape chiar refrigerarea poate fi garantată.

Frigider cu absorbție difuzivă

Difuzie răcitorul de lichid de absorbție funcționează într - un mod similar cu răcitorul de lichid de absorbție, dar modificarea presiunii este implementată ca o modificare a presiunii parțiale. Acest lucru necesită o a treia componentă pentru fluidul de lucru, un gaz inert . Avantajul lor este că corpul de presiune este etanșat ermetic și nu necesită sigilii detașabile și că dispozitivul funcționează silențios. Tehnologia este utilizată, de exemplu, în frigiderele de camping și hoteliere.

Sisteme frigorifice de compresie

În mașina frigorifică cu compresie , un mediu de lucru curge într-un circuit de curgere, absorbind alternativ căldura la o temperatură mai scăzută și eliberând (mai mult) căldură la o temperatură mai mare. Pentru a menține fluxul și astfel procesul în desfășurare, sunt necesare pompe, adică introducerea lucrărilor mecanice. Astfel de mașini funcționează fie

prin alternarea evaporării și condensării mediului (agent frigorific) sau
cu un mediu întotdeauna gazos (mai ales aer).

Primul tip este răspândit și este folosit de ex. B. în frigidere de uz casnic , congelatoare și congelatoare, sisteme de distribuire, depozite frigorifice, aer condiționat , patinoare artificiale, abatoare, fabrici de bere și industria chimică.

Răcitor de abur rece: circuit de bază

În ciclu, agentul frigorific gazos este comprimat de un compresor (folosind energia de acționare ). În schimbătorul de căldură din aval ( condensator ), agentul frigorific se condensează, prin care îl încălzește la temperatură ridicată (căldură de condensare ), care corespunde nivelului ridicat, de asemenea, la temperatura de condensare la presiune înaltă . Agentul frigorific lichid este direcționat către un dispozitiv de accelerație, unde presiunea acestuia este redusă. În al doilea schimbător de căldură ( evaporator ), agentul frigorific absoarbe apoi căldura la o temperatură scăzută prin evaporare, de ex. B. din camera rece a unui frigider (căldură de vaporizare ). Compresorul aspiră din nou agentul frigorific evaporat și ciclul este închis. Se aplică următoarele , unde este căldura reziduală pe care compresorul o degajă direct mediului. ${\ displaystyle W}$ ${\ displaystyle Q_ {H}}$ ${\ displaystyle Q_ {K}}$ ${\ displaystyle Q_ {H} + A = W + Q_ {K}}$ ${\ displaystyle A}$

Al doilea tip funcționează și cu un compresor care comprimă mediul de lucru (adesea aer), prin care se încălzește. Apoi degajă căldură mediului cald, unde se răcește, dar rămâne gazos. Apoi curge z. B. de o turbină , care o relaxează și o răcește în continuare. Turbina returnează o parte din lucrările mecanice utilizate de compresor. Mediul absoarbe apoi căldura din încăperea care trebuie răcită înainte de a fi comprimată din nou. Procesul poate fi, de asemenea, proiectat într-o manieră deschisă, prin faptul că aerul este aspirat din mediu, comprimat, răcit și relaxat, după care este direcționat în camera pentru a fi răcit (de exemplu, interiorul unei mașini sau al unei clădiri).

În loc de compresor și turbină, un astfel de sistem poate funcționa și cu o mașină corespunzătoare motorului Schukey , care preia compresia și expansiunea gazului; această soluție este tehnic mai simplă. Această construcție prezintă interes, printre altele, pentru sistemele de aer condiționat auto, unde avantajul este deosebit de semnificativ că nu este necesar niciun agent frigorific care să poată scăpa în caz de accident și chiar să prezinte un pericol de incendiu (în funcție de tipul agentului frigorific ).

Relaxarea cu câștig de lucru mecanic (turbină) poate fi în principiu înlocuită și cu o simplă strangulare a gazului, deoarece gazul real este răcit prin strangulare adiabatică (spre deosebire de gazul ideal , a cărui temperatură rămâne aceeași). Eficiența sistemului este atunci mult mai proastă. Răcirea gazului este mult mai mică, iar munca utilă oferită de turbină nu mai este necesară.

Pentru funcționarea unei mașini frigorifice, conform celei de- a doua legi a termodinamicii , energia trebuie furnizată din exterior sub formă de lucru mecanic, deoarece numai atunci poate fi transportată căldura dintr-un loc cu o temperatură mai scăzută în altul cu o temperatură mai mare .

Sistem de răcire cu jet de abur

Sistemul de refrigerare cu jet de abur este un sistem de refrigerare termică în care vaporii de apă sunt folosiți ca propulsor, agent frigorific și agent frigorific. Expansiunea și relaxarea unui jet de vapori de apă creează un vid și aspiră vaporii de apă dintr-un evaporator. Evaporarea răcește rezervorul de apă din evaporator și, prin urmare, poate fi utilizat ca agent de răcire.

Efect Joule-Thomson (JTE), metoda Linde

Pentru a genera frig, temperatura unui gaz (de ex. Aer, heliu) care nu se condensează în zona de lucru este redusă prin strangulare. Cu JTE se poate realiza o răcire de aproximativ 0,4 K per bar diferență de presiune (aer aproximativ 1/4 K / bar, CO ₂ aproximativ 3/4 K / bar) la clapetă. Deși acest efect este aparent foarte mic, poate fi folosit și pentru a atinge temperaturi scăzute apropiate de zero absolut. Sistemele sunt deseori proiectate în mai multe etape.

Reprezentarea aparatului unui sistem Joule-Thomson este similară cu cea a unei mașini frigorifice cu compresie, dar schimbătoarele de căldură nu sunt construite ca condensatoare sau evaporatoare. Pentru optimizarea energetică, este necesar să se răcească în prealabil gazul într-un schimbător de căldură recuperator (contracurent), cu gazul care revine din răcitorul din amonte de supapa de expansiune (clapeta de accelerație).

În 1895, Carl von Linde a folosit un astfel de sistem pentru lichefierea aerului și a lichefiat cantități destul de mari (1 găleată / oră) de aer. Procesul tehnic pentru lichefierea și separarea aerului pe baza efectului Joule-Thomson a fost denumit de atunci procesul Linde.

Cu toate acestea, este crucial pentru răcire conform metodei Joule-Thomson ca temperatura de pornire să fie sub temperatura de inversare T _{i a} gazului respectiv. Aceasta este de aproximativ +659 ° C pentru aer, -80 ° C pentru hidrogen și -239 ° C pentru heliu. Dacă un gaz este extins sub temperatura sa de inversiune, acesta se răcește, dacă este extins peste temperatura sa de inversiune, se încălzește. Pentru a putea răci un gaz conform procesului JT, temperatura de pornire trebuie să fie deci sub temperatura de inversare. Pentru van der Waals de gaz , această temperatură poate fi calculată cu ajutorul următoarei ecuații, care corespunde presiunii interne , co-volumul de gaz, temperatura critică și constanta universală a gazelor . ${\ displaystyle a}$ ${\ displaystyle b}$ ${\ displaystyle T_ {k}}$ ${\ displaystyle R}$

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

Racitor cu tuburi de impuls

Structura schematică a unui răcitor de tuburi cu impulsuri

Un răcitor cu tuburi cu impuls este o mașină de refrigerare, al cărei principiu funcțional corespunde aproximativ unui motor Stirling , dar care nu necesită piese în mișcare mecanică. Acest lucru permite capete de răcire foarte compacte, iar temperatura minimă atinsă nu este limitată de căldura mecanică de frecare a acestor piese. Cea mai scăzută temperatură până în prezent a fost atinsă în jur de 1,3 K (= –272 ° C).

Efect termoelectric, element Peltier

Un element Peltier , care funcționează electric și nu necesită agent frigorific, poate fi utilizat și pentru răcire (sau încălzire) . Cu toate acestea, în cazul diferențelor mari de temperatură (50 ... 70 K), capacitatea de răcire scade la zero. Pentru diferențe mai mari de temperatură, se utilizează structuri în mai multe niveluri în formă de piramidă.

Această tehnologie este utilizată pentru a stabiliza temperatura laserelor și senzorilor cu semiconductori, în cutii de răcire pentru vehicule, în ciclatoare termice (PCR) și pentru a răci înregistratoarele de imagini din camerele de la infraroșu la UV .

Răcire magnetică

O altă metodă de răcire se bazează pe proprietățile magnetice ale anumitor substanțe. Când sunt magnetizate, unele substanțe eliberează căldură; acestea sunt numite apoi substanțe magnetocalorice. Cu răcirea magnetică , substanța este plasată într-un câmp magnetic , prin care se încălzește; căldura este disipată mai ales aici prin intermediul unui lichid de răcire. Substanța, care a fost readusă la temperatura ambiantă, părăsește acum câmpul magnetic și se demagnetizează în zona care urmează să fie răcită. În timpul demagnetizării, substanța absoarbe căldura. Lucrările mecanice trebuie aplicate din exterior pentru a îndepărta materialul magnetizat din câmpul magnetic.

Astfel de sisteme de răcire sunt de obicei mai eficiente decât sistemele care funcționează cu abur, dar sunt mai scumpe deoarece substanțele magnetocalorice adecvate, de ex. B. compușii gadoliniu sunt scumpi.

Răcire prin evaporare

La răcirea prin evaporare, energia sub formă de căldură ( entalpia de evaporare ) este extrasă dintr- un mediu (de exemplu, aerul sau o suprafață) prin evaporarea apei . În domeniul ingineriei de aprovizionare, de răcire prin evaporare este adesea numită răcire adiabatică sau adiabatic, deoarece procesul fizic este , teoretic , o isenthalpic conversia sensibilă la căldură latentă . Acesta este procesul de transfer termic îmbunătățit de la tranziție de fază (vapori de apă) la temperatura ridicată la cea scăzută și, astfel, asigură un ciclu termodinamic „dreptaci” (= răcire) . nu este necesară energie suplimentară mecanică, electrică sau termică.

Exemplu de răcire prin evaporare în diagrama h-x

Posibilitatea de răcire depinde de temperatura și umiditatea aerului înconjurător, adică umiditatea relativă a aerului : cu o umiditate relativă a aerului aproape de 100%, adică aer saturat sau chiar suprasaturat cu vapori de apă (ca și ceața ), efectul este aproape nedetectabil, Presiunea de vapori de saturație a apei din aer este prea mare. Cu toate acestea, cu cât este mai mică umiditatea relativă, cu atât este mai mare potențialul de absorbție suplimentară a umezelii și cu atât mai multă apă se poate evapora și reduce temperatura aerului. Toate modificările stării aerului pot fi prezentate în diagrama Mollier h, x (umiditate absolută versus temperatură). Conținutul total de energie al aerului este dat în kJ / kg. Deoarece întregul conținut de energie nu se modifică în timpul răcirii prin evaporare (adiabatic), schimbarea stării se desfășoară întotdeauna pe izentalii din diagramă ( const kJ / kg) de la stânga sus la dreapta jos. Linia de saturație este atinsă în cele din urmă la o umiditate relativă de 100%. De exemplu, aerul cu o temperatură de 21 ° C și o umiditate relativă de 40% conține o entalpie de 36,7 kJ / kg; dacă urmați cursul acestor isentalpi din diagramă, acesta intersectează linia punctului de rouă la 13 ° C și 100% umiditate relativă. O temperatură mai mică de 13 ° C nu poate fi atinsă aici prin evaporare.

Răcirea prin evaporare reprezintă procesul fizic decisiv din spatele efectului de răcire al transpirației (sau, de exemplu, pielea umezită manual și expusă vântului). B. nu mai este dat într-o saună. Acest tip de răcire a fost, de asemenea, utilizat la începutul istoriei tehnologiei, vasele de lut sunt cunoscute încă din antichitate, care sunt umezite și permit evaporarea prin suprafața lor cu pori deschiși, care le răcește conținutul (de exemplu, un răcitor de unt din lut). Un alt exemplu de utilizare timpurie este turnul eolian împreună cu un qanat . În ceea ce privește tehnologia de proces, efectul este utilizat în sisteme moderne, cum ar fi. B. utilizat în turnul de răcire umed . În Europa Centrală, aceasta poate furniza de obicei o temperatură a apei de răcire de aproximativ 27 ° C la o temperatură exterioară de 32 ° C, adică o temperatură mult sub temperatura ambiantă.

Cifra de performanță

Eficiența răcitoarelor și a pompelor de căldură este dată cu ajutorul coeficientului de performanță sau a cifrei de performanță . În funcție de context, se utilizează în schimb abrevierile EER ( engleză energy performance ratio ) pentru mașinile frigorifice și COP ( engleză coeficient de performanță ) pentru pompele de căldură. Aceste variabile indică relația dintre capacitatea de răcire sau încălzire și capacitatea tehnică (mecanică sau electrică) utilizată. ${\ displaystyle \ varepsilon}$

Pentru un sistem frigorific care extrage capacitatea de răcire din rezervorul rece utilizând capacitatea tehnică : ${\ displaystyle P}$ ${\ displaystyle P _ {\ rm {K}}}$

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

Producția tehnică corespunde diferenței dintre puterea de căldură uzată și puterea de răcire consumată, astfel încât să se aplice următoarele: ${\ displaystyle P _ {\ rm {H}}}$

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

.

Eficiența unui motor termic este definit ca fiind raportul dintre puterea tehnică generată și puterea termică absorbită din rezervor fierbinte . Prin urmare, corespunde reciprocității 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}}}}}

Reglementări statutare

Pentru răcitoare, există reglementări legale în ceea ce privește agenții frigorifici folosiți și eficiența. Regulamentul ERP EcoDesign pentru cerințele de eficiență sezonieră este planificat pentru 2021.

Vezi si

literatură

IKET (Hrsg.): Pohlmann-Taschenbuch der Kältetechnik. Noțiuni de bază, aplicații, tabele de lucru și reglementări . Ediția a 19-a revizuită și extinsă 2008. CF Müller Verlag, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-7880-7824-9
Hans-Liudger Dienel : Locul cercetării și dezvoltării în ingineria frigorifică germană, 1880-1930 . În: Technikgeschichte, 62. Vol. (1995), H. 1, pp. 49-69.

Dovezi individuale

↑ D. Lüdecke, C. Lüdecke: Termodinamică . Springer-Verlag, 2000, ISBN 978-3-540-66805-3 , p. 340 ( google.de [accesat la 27 decembrie 2013]).
↑ Chillere gata pentru regulamentul EcoDesign ErP 2021 .

Link-uri web

[1] D. Lüdecke, C. Lüdecke: Termodinamică . Springer-Verlag, 2000, ISBN 978-3-540-66805-3 , p. 340 ( google.de [accesat la 27 decembrie 2013]).

[ERPV1-2] Chillere gata pentru regulamentul EcoDesign ErP 2021 .

Languages