Płyn chłodzący

Chłodziwo jest substancją, zwykle płynną, używaną do obniżania lub regulowania temperatury układu . Idealny płyn chłodzący ma wysoką pojemność cieplną , niską lepkość , jest tani, nietoksyczny , obojętny chemicznie i nie powoduje ani nie sprzyja korozji układu chłodzenia. Niektóre zastosowania wymagają również, aby chłodziwo było izolatorem elektrycznym .

Podczas gdy termin „chłodziwo” jest powszechnie używany w zastosowaniach motoryzacyjnych i HVAC , w przetwórstwie przemysłowym płyn przenoszący ciepło jest terminem technicznym częściej używanym zarówno w zastosowaniach produkcyjnych w wysokich, jak i niskich temperaturach. Termin ten obejmuje również płyny chłodząco-smarujące . Przemysłowy płyn obróbkowy został ogólnie sklasyfikowany jako chłodziwo rozpuszczalne w wodzie i czysty płyn obróbkowy. Płyn chłodzący rozpuszczalny w wodzie to emulsja typu olej w wodzie. Ma różną zawartość oleju od oleju zerowego (syntetyczny płyn chłodzący).

Ten płyn chłodzący może albo zachować swoją fazę i pozostać w stanie ciekłym lub gazowym, albo może przejść przemianę fazową , przy czym ciepło utajone zwiększa wydajność chłodzenia. Ten ostatni, używany do osiągnięcia temperatury poniżej temperatury otoczenia , jest powszechnie znany jako czynnik chłodniczy .

Gazy

Powietrze jest powszechną formą chłodziwa. Chłodzenie powietrzem wykorzystuje konwekcyjny przepływ powietrza (chłodzenie pasywne) lub wymuszoną cyrkulację za pomocą wentylatorów .

Wodór jest stosowany jako gazowy czynnik chłodzący o wysokiej wydajności. Jego przewodność cieplna jest wyższa niż wszystkich innych gazów, ma wysoką pojemność cieplną właściwą , małą gęstość , a co za tym idzie niską lepkość , co jest zaletą dla maszyn rotacyjnych podatnych na straty spowodowane wiatrem . Turbogeneratory chłodzone wodorem są obecnie najczęściej spotykanymi generatorami elektrycznymi w dużych elektrowniach.

Gazy obojętne są stosowane jako chłodziwa w reaktorach jądrowych chłodzonych gazem . Hel ma niską tendencję do pochłaniania neutronów i stania się radioaktywnym . Dwutlenek węgla jest używany w reaktorach Magnox i AGR .

Sześciofluorek siarki jest używany do chłodzenia i izolacji niektórych systemów elektroenergetycznych wysokiego napięcia ( wyłączniki , przełączniki , niektóre transformatory itp.).

Parę wodną można stosować tam, gdzie wymagana jest duża pojemność cieplna w postaci gazowej i uwzględnia się korozyjne właściwości gorącej wody.

Dwufazowy

Niektóre chłodziwa są używane zarówno w postaci ciekłej, jak i gazowej w tym samym obwodzie, wykorzystując wysokie ciepło właściwe zmiany fazy wrzenia/skraplania , entalpię parowania , a także pojemność cieplną płynu bez zmiany fazy .

Czynniki chłodnicze to czynniki chłodnicze używane do osiągania niskich temperatur poprzez przemianę fazową między cieczą a gazem. Często stosowano halometany , najczęściej R-12 i R-22 , często ze skroplonym propanem lub innymi haloalkanami, takimi jak R-134a . Bezwodny amoniak jest często używany w dużych systemach komercyjnych, a dwutlenek siarki był używany we wczesnych lodówkach mechanicznych. Dwutlenek węgla (R-744) jest stosowany jako płyn roboczy w systemach klimatyzacji samochodów, klimatyzacji mieszkaniowej, chłodnictwa komercyjnego i automatów sprzedających. Wiele skądinąd doskonałych czynników chłodniczych jest wycofywanych ze względów środowiskowych (CFC ze względu na efekt warstwy ozonowej, obecnie wielu ich następców podlega ograniczeniom z powodu globalnego ocieplenia, np. R134a).

Rury cieplne to specjalne zastosowanie czynników chłodniczych.

Woda jest czasami wykorzystywana w ten sposób, np. w reaktorach z wrzącą wodą . Efekt zmiany fazy może być użyty celowo lub może być szkodliwy.

Materiały zmiennofazowe wykorzystują inne przejście fazowe między ciałem stałym a cieczą.

Ciekłe gazy mogą wpadać tutaj lub do czynników chłodniczych, ponieważ ich temperatura jest często utrzymywana przez parowanie. Ciekły azot jest najbardziej znanym przykładem spotykanym w laboratoriach. Przemiana fazowa może nie zachodzić na ochłodzonej granicy faz, ale na powierzchni cieczy, gdzie ciepło jest przekazywane przez przepływ konwekcyjny lub wymuszony.

Płyny

Urządzenie do pomiaru temperatury, do której płyn chłodzący chroni samochód przed zamarznięciem

Woda jest najczęstszym czynnikiem chłodzącym. Jego wysoka pojemność cieplna i niski koszt sprawiają, że jest to odpowiedni nośnik ciepła. Zwykle stosuje się go z dodatkami, takimi jak inhibitory korozji i płyn niezamarzający . Płyn niezamarzający, roztwór odpowiedniej organicznej substancji chemicznej (najczęściej glikolu etylenowego , glikolu dietylenowego lub glikolu propylenowego ) w wodzie, jest stosowany, gdy płyn chłodzący na bazie wody musi wytrzymać temperatury poniżej 0°C lub gdy jego temperatura wrzenia musi być uniesiony. Betaina jest podobnym płynem chłodzącym, z tą różnicą, że jest wytwarzana z czystego soku roślinnego i nie jest toksyczna ani trudna do ekologicznego usunięcia.

Glikol polialkilenowy (PAG) jest stosowany jako wysokotemperaturowe, stabilne termicznie płyny przewodzące ciepło, wykazujące dużą odporność na utlenianie. Nowoczesne PAG mogą być również nietoksyczne i bezpieczne.

Ciecz chłodząco-smarująca to chłodziwo, które służy również jako środek smarny do obrabiarek do kształtowania metalu .

Oleje są często używane do zastosowań, w których woda jest nieodpowiednia. Dzięki wyższym temperaturom wrzenia niż woda, oleje mogą być podnoszone do znacznie wyższych temperatur (powyżej 100 stopni Celsjusza) bez wprowadzania wysokich ciśnień w danym zbiorniku lub systemie obiegowym. Wiele olejów ma zastosowania obejmujące przenoszenie ciepła, smarowanie, przenoszenie ciśnienia (płyny hydrauliczne), czasem nawet paliwo lub kilka takich funkcji jednocześnie.

  • Oleje mineralne służą zarówno jako chłodziwa, jak i smary w wielu przekładniach mechanicznych. Stosowane są również niektóre oleje roślinne, np. olej rycynowy . Ze względu na wysokie temperatury wrzenia oleje mineralne są stosowane w przenośnych grzejnikach elektrycznych w zastosowaniach mieszkaniowych oraz w systemach z obiegiem zamkniętym do ogrzewania i chłodzenia w procesach przemysłowych. Olej mineralny jest często stosowany w zanurzonych systemach komputerowych, ponieważ nie przewodzi prądu, a zatem nie powoduje zwarć ani uszkodzeń żadnych części.
  • Oleje silikonowe i oleje fluorowęglowodorowe (takie jak fluorinert ) są preferowane ze względu na szeroki zakres temperatur roboczych . Jednak ich wysoki koszt ogranicza ich zastosowania.
  • Olej transformatorowy służy do chłodzenia i dodatkowej izolacji elektrycznej transformatorów elektrycznych dużej mocy . Zwykle stosuje się oleje mineralne. Oleje silikonowe są wykorzystywane do specjalnych zastosowań. Polichlorowane bifenyle były powszechnie stosowane w starym sprzęcie, który obecnie może wiązać się z ryzykiem zanieczyszczenia.

Paliwa są często stosowane jako płyny chłodzące do silników. Zimne paliwo przepływa przez niektóre części silnika, pochłaniając jego ciepło odpadowe i podgrzewając je przed spaleniem. Nafta i inne paliwa do silników odrzutowych często pełnią tę rolę w silnikach lotniczych. Ciekły wodór służy do chłodzenia dysz silników rakietowych .

Bezwodny płyn chłodzący jest stosowany jako alternatywa dla konwencjonalnych płynów chłodzących na bazie wody i glikolu etylenowego. Dzięki wyższym punktom wrzenia niż woda (około 370 F), technologia chłodzenia jest odporna na wykipienie. Płyn zapobiega również korozji .

Freony były często używane do zanurzeniowego chłodzenia np. elektroniki.

Stopione metale i sole

Zobacz też: Chłodziwo reaktora jądrowego i Magazynowanie energii cieplnej § Technologia stopionej soli

Ciekłe topliwe stopy mogą być stosowane jako chłodziwa w zastosowaniach, w których wymagana jest wysoka stabilność temperaturowa, np. niektóre reaktory jądrowe z szybkim powielaniem . Często stosuje się sód (w reaktorach prędkich chłodzonych sodem ) lub stop sodowo- potasowy NaK ; w szczególnych przypadkach można zastosować lit. Innym ciekłym metalem stosowanym jako chłodziwo jest ołów , np. w chłodzonych ołowiem reaktorach prędkich lub stop ołowiu z bizmutem . Niektóre wczesne reaktory na neutrony szybkie wykorzystywały rtęć .

W niektórych zastosowaniach trzpienie samochodowych zaworów grzybkowych mogą być puste i wypełnione sodem w celu poprawy transportu i wymiany ciepła.

W przypadku zastosowań w bardzo wysokich temperaturach, np. w reaktorach ze stopionymi solami lub reaktorach w bardzo wysokich temperaturach , jako chłodziwa można stosować stopione sole . Jedną z możliwych kombinacji jest mieszanka fluorku sodu i tetrafluoroboranu sodu (NaF-NaBF 4 ). Inne opcje to FLiBe i FLiNaK .

Gazy ciekłe

Skroplone gazy są wykorzystywane jako chłodziwa w zastosowaniach kriogenicznych , w tym w mikroskopii krioelektronowej , przetaktowywaniu procesorów komputerowych, aplikacjach wykorzystujących nadprzewodniki lub niezwykle czułe czujniki i wzmacniacze o bardzo niskim poziomie szumów .

Dwutlenek węgla (wzór chemiczny to CO 2 ) - jest stosowany jako zamiennik chłodziwa do płynów obróbkowych. CO 2 może zapewniać kontrolowane chłodzenie na styku skrawającym, tak że narzędzie skrawające i przedmiot obrabiany są utrzymywane w temperaturze otoczenia. Zastosowanie CO 2 znacznie wydłuża żywotność narzędzia, aw przypadku większości materiałów umożliwia szybsze działanie. Jest to uważane za metodę bardzo przyjazną dla środowiska, zwłaszcza w porównaniu ze stosowaniem olejów naftowych jako smarów; części pozostają czyste i suche, co często eliminuje dodatkowe czyszczenie.

Ciekły azot , który wrze w temperaturze około -196°C (77K), jest najczęściej stosowanym i najtańszym płynem chłodzącym. Ciekłe powietrze jest wykorzystywane w mniejszym stopniu ze względu na zawartość ciekłego tlenu , co czyni je podatnym na pożar lub wybuch w kontakcie z materiałami palnymi (patrz oxyliquits ).

Niższe temperatury można osiągnąć za pomocą ciekłego neonu , który wrze w temperaturze około -246 ° C. Najniższe temperatury, stosowane w najpotężniejszych magnesach nadprzewodzących , osiągane są przy użyciu ciekłego helu .

Ciekły wodór o temperaturze od -250 do -265°C może być również stosowany jako czynnik chłodzący. Ciekły wodór jest również stosowany zarówno jako paliwo , jak i chłodziwo do chłodzenia dysz i komór spalania silników rakietowych .

Nanopłyny

Nową klasą płynów chłodzących są nanopłyny , które składają się z cieczy nośnej, takiej jak woda, zdyspergowanej z drobnymi cząsteczkami w skali nano, znanymi jako nanocząsteczki . Specjalnie zaprojektowane nanocząsteczki np CuO , tlenku glinu , ditlenku tytanu , nanorurek węglowych , krzemionki lub metali (np. nanopręciki miedzi lub srebra ) rozproszone w cieczy nośnej zwiększają możliwości przenoszenia ciepła uzyskanego chłodziwa w porównaniu z samą cieczą nośną. Wzmocnienie może teoretycznie sięgać nawet 350%. Eksperymenty nie wykazały jednak tak dużej poprawy przewodności cieplnej, ale wykazały znaczny wzrost krytycznego strumienia ciepła chłodziw.

Osiągalne są pewne znaczące ulepszenia; np. srebrne nanopręty o średnicy 55±12 nm i średniej długości 12,8 µm przy 0,5% obj. zwiększyły przewodność cieplną wody o 68%, a 0,5% obj. srebrnych nanoprętów zwiększyło przewodność cieplną chłodziwa na bazie glikolu etylenowego o 98 % . Nanocząsteczki tlenku glinu w stężeniu 0,1% mogą zwiększyć krytyczny strumień ciepła wody nawet o 70%; cząstki tworzą szorstką porowatą powierzchnię na chłodzonym obiekcie, co sprzyja tworzeniu się nowych pęcherzyków, a ich hydrofilowy charakter pomaga następnie je odpychać, utrudniając tworzenie się warstwy pary. Nanopłyn o stężeniu powyżej 5% zachowuje się jak płyn nienewtonowski .

ciała stałe

W niektórych zastosowaniach jako chłodziwa stosowane są materiały stałe. Materiały wymagają dużej energii do odparowania; energia ta jest następnie przenoszona przez odparowane gazy. Takie podejście jest powszechne w lotach kosmicznych , przy ablacyjnych osłonach przed wejściem w atmosferę oraz przy chłodzeniu dysz silników rakietowych . To samo podejście stosuje się również do ochrony przeciwpożarowej konstrukcji, gdzie stosuje się powłoki ablacyjne.

Suchy lód i lód wodny mogą być również stosowane jako chłodziwa w bezpośrednim kontakcie z chłodzoną konstrukcją. Czasami stosuje się dodatkowy płyn przenoszący ciepło; woda z lodem i suchy lód w acetonie to dwa popularne połączenia.

Sublimacja lodu wodnego została wykorzystana do chłodzenia skafandra w Projekcie Apollo .

Linki zewnętrzne


Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Coolant&oldid=1133162000 ”