охлаждающая жидкость
— Охлаждающая жидкость это вещество, обычно жидкость, которое используется для снижения или регулирования температуры системы. Идеальная охлаждающая жидкость имеет высокую теплоемкость , низкую вязкость , недорога, нетоксична , химически инертна и не вызывает и не способствует коррозии системы охлаждения. В некоторых приложениях также требуется, чтобы охлаждающая жидкость была электрическим изолятором .
Хотя термин «хладагент» обычно используется в автомобилях и системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха , в промышленной обработке жидкий теплоноситель является одним из технических терминов, который чаще используется как в высокотемпературных, так и в низкотемпературных производственных приложениях. Этот термин также охватывает смазочно-охлаждающие жидкости . Промышленную смазочно-охлаждающую жидкость можно разделить на водорастворимую охлаждающую жидкость и чистую смазочно-охлаждающую жидкость. Водорастворимая охлаждающая жидкость представляет собой эмульсию масла в воде. Содержание масла варьируется от нулевого (синтетическая охлаждающая жидкость).
Этот хладагент может либо сохранять свою фазу и оставаться жидким или газообразным, либо может претерпевать фазовый переход , при этом скрытое тепло увеличивает эффективность охлаждения. Последний, когда он используется для достижения температуры ниже температуры окружающей среды , более широко известен как хладагент .
Газы
[ редактировать ]Воздух – распространенная форма охлаждающей жидкости. Для воздушного охлаждения используется либо конвективный поток воздуха (пассивное охлаждение), либо принудительная циркуляция с помощью вентиляторов .
Водород используется в качестве высокоэффективного газообразного теплоносителя. Его теплопроводность выше, чем у всех других газов, он имеет высокую удельную теплоемкость , низкую плотность и, следовательно, низкую вязкость , что является преимуществом для роторных машин, подверженных потерям на парусность . Турбогенераторы с водородным охлаждением в настоящее время являются наиболее распространенными электрогенераторами на крупных электростанциях.
инертные газы используются В качестве теплоносителей в ядерных реакторах с газовым охлаждением . Гелий имеет низкую склонность поглощать нейтроны и становиться радиоактивным . Углекислый газ используется в реакторах Magnox и AGR .
Гексафторид серы применяется для охлаждения и изоляции некоторых высоковольтных энергосистем ( автоматических выключателей , переключателей , некоторых трансформаторов и т. д.).
Пар может применяться там, где требуется высокая удельная теплоемкость в газообразном виде и учитываются коррозионные свойства горячей воды.
Двухфазный
[ редактировать ]Некоторые охлаждающие жидкости используются как в жидкой, так и в газообразной форме в одном и том же контуре, используя преимущества высокой удельной скрытой теплоты кипения/конденсации фазового перехода , энтальпии испарения жидкости без фазового перехода , а также теплоемкости .
Хладагенты — это охлаждающие жидкости, используемые для достижения низких температур за счет фазового перехода между жидкостью и газом. галогенметаны Часто использовались , чаще всего R-12 и R-22 , часто с сжиженным пропаном или другими галогеналканами, такими как R-134a . Безводный аммиак часто используется в крупных коммерческих системах, а диоксид серы использовался в первых механических холодильниках. Двуокись углерода (R-744) используется в качестве рабочей жидкости в системах климат-контроля автомобилей, кондиционирования воздуха в жилых домах, коммерческих холодильных установках и торговых автоматах. Многие в других отношениях превосходные хладагенты постепенно выводятся из обращения по экологическим причинам (ХФУ из-за воздействия озонового слоя; теперь многие из их преемников сталкиваются с ограничениями из-за глобального потепления, например, R134a).
Тепловые трубы представляют собой особое применение хладагентов.
Иногда таким образом используют воду, например, в реакторах с кипящей водой . Эффект изменения фазы может быть использован намеренно или может оказаться вредным.
В материалах с фазовым переходом используется другой фазовый переход между твердым телом и жидкостью.
Сжиженные газы могут попадать сюда или в хладагенты, так как их температура часто поддерживается за счет испарения. Жидкий азот — наиболее известный пример, встречающийся в лабораториях. Фазовый переход может происходить не на охлаждаемой границе раздела, а на поверхности жидкости, куда тепло передается конвективным или вынужденным потоком.
Жидкости
[ редактировать ]
Вода – самый распространенный теплоноситель. Высокая теплоемкость и низкая стоимость делают его подходящим теплоносителем. Обычно используется с добавками, такими как ингибиторы коррозии и антифриз . Антифриз, раствор подходящего органического химиката (чаще всего этиленгликоля , диэтиленгликоля или пропиленгликоля ) в воде, используется, когда охлаждающая жидкость на водной основе должна выдерживать температуры ниже 0 °C или когда ее точка кипения должна быть ниже поднятый. Бетаин представляет собой аналогичную охлаждающую жидкость, за исключением того, что он изготовлен из чистого растительного сока, не токсичен и не требует экологической утилизации. [ 1 ]
- Очень чистая деионизированная вода из-за ее относительно низкой электропроводности используется для охлаждения некоторого электрооборудования, часто мощных передатчиков и мощных электронных ламп .
- Тяжелая вода является замедлителем нейтронов , используемым в некоторых ядерных реакторах ; он также выполняет второстепенную функцию охлаждающей жидкости . Легководные реакторы , как кипящие, так и водо-водяные реакторы наиболее распространенного типа, используют обычную (легкую) воду . В некоторых конструкциях, например реакторе CANDU , используются оба типа; тяжелая вода в каландровом баке без давления в качестве замедлителя и дополнительного теплоносителя и легкая вода в качестве основного теплоносителя.
Полиалкиленгликоль (ПАГ) используется в качестве высокотемпературных, термически стабильных жидкостей-теплоносителей, обладающих высокой стойкостью к окислению. Современные ПАГ также могут быть нетоксичными и неопасными. [ 2 ]
СОЖ — это охлаждающая жидкость, которая также служит смазкой для металлообрабатывающих станков .
Масла часто используются там, где вода непригодна. Обладая более высокими температурами кипения, чем вода, масла можно нагревать до значительно более высоких температур (выше 100 градусов Цельсия) без создания высокого давления внутри рассматриваемого контейнера или петлевой системы. [ 3 ] Многие масла используются для теплопередачи, смазки, передачи давления (гидравлические жидкости), иногда даже для топлива или для выполнения нескольких подобных функций одновременно.
- Минеральные масла служат как охлаждающими, так и смазочными средствами во многих механических передачах. некоторые растительные масла, например касторовое масло Также используются . Из-за высокой температуры кипения минеральные масла используются в портативных электрических радиаторных обогревателях в жилых помещениях, а также в системах замкнутого цикла для промышленного обогрева и охлаждения. Минеральное масло часто используется в погружных системах ПК, поскольку оно не проводит ток и, следовательно, не вызывает короткого замыкания или повреждения каких-либо деталей.
- Полифенилэфирные масла подходят для применений, требующих высокой температурной стабильности, очень низкой летучести, собственной смазывающей способности и/или радиационной стойкости. Перфторполиэфирные масла являются их более химически инертным вариантом.
- Эвтектическая смесь дифенилового эфира (73,5%) и бифенила (26,5%) используется из-за ее широкого температурного диапазона и стабильности до 400 °C.
- Полихлорированные бифенилы и полихлорированные терфенилы использовались в целях теплопередачи, им отдавалось предпочтение из-за их низкой воспламеняемости, химической стойкости, гидрофобности и хороших электрических свойств, но в настоящее время их использование постепенно прекращается из-за их токсичности и биоаккумуляции .
- Силиконовые и фторуглеродные масла (например, фторинерт ) предпочтительны из-за широкого диапазона рабочих температур . Однако их высокая стоимость ограничивает их применение.
- Трансформаторное масло применяется для охлаждения и дополнительной электроизоляции мощных электротрансформаторов . Обычно используются минеральные масла. Силиконовые масла используются для специальных применений. Полихлорированные дифенилы обычно использовались в старом оборудовании, которое теперь может подвергаться риску загрязнения.
Топливо часто используется в качестве охлаждающей жидкости для двигателей. Холодное топливо течет по некоторым частям двигателя, поглощая отходящее тепло и предварительно нагреваясь перед сгоранием. Керосин и другие виды топлива для реактивных двигателей часто выполняют эту роль в авиационных двигателях. Жидкий водород используется для охлаждения сопел ракетных двигателей .
Безводная охлаждающая жидкость используется в качестве альтернативы традиционным охлаждающим жидкостям на основе воды и этиленгликоля. Поскольку температура кипения выше, чем у воды (около 370F), технология охлаждения предотвращает выкипание. Жидкость также предотвращает коррозию . [ 4 ]
Фреоны часто использовались для погружного охлаждения , например, электроники.
Расплавленные металлы и соли
[ редактировать ]Жидкие легкоплавкие сплавы можно использовать в качестве теплоносителей в приложениях, где требуется высокая температурная стабильность, например, в некоторых на быстрых нейтронах ядерных реакторах . натрий (в быстрых реакторах с натриевым охлаждением ) или натриево- калиевый сплав NaK Часто используют ; в особых случаях литий можно использовать . Другим жидким металлом, используемым в качестве теплоносителя, является свинец , например, в быстрых реакторах со свинцовым теплоносителем , или сплав свинца -висмута . Некоторые ранние реакторы на быстрых нейтронах использовали ртуть .
В некоторых случаях штоки автомобильных тарельчатых клапанов могут быть полыми и заполнены натрием для улучшения переноса и передачи тепла.
Для применений с очень высокими температурами, например, реакторов с расплавленными солями или реакторов с очень высокими температурами , расплавленные соли могут использоваться в качестве охлаждающих жидкостей. Одной из возможных комбинаций является смесь фторида натрия и тетрафторбората натрия (NaF-NaBF 4 ). Другие варианты — FLiBe и FLiNaK .
Жидкие газы
[ редактировать ]Сжиженные газы используются в качестве хладагентов в криогенных приложениях, включая криоэлектронную микроскопию , разгон компьютерных процессоров, приложения, использующие сверхпроводники или чрезвычайно чувствительные датчики и очень малошумящие усилители .
Углекислый газ (химическая формула CO 2 ) – используется в качестве заменителя охлаждающей жидкости. [ 5 ] для смазочно-охлаждающих жидкостей. CO 2 может обеспечивать контролируемое охлаждение на границе раздела резания, так что режущий инструмент и заготовка поддерживаются при температуре окружающей среды. Использование CO 2 значительно продлевает срок службы инструмента и позволяет ускорить обработку большинства материалов. Это считается очень экологически чистым методом, особенно по сравнению с использованием нефтяных масел в качестве смазочных материалов; детали остаются чистыми и сухими, что часто позволяет избежать операций по вторичной очистке.
Жидкий азот , температура кипения которого составляет около -196 °C (77K), является наиболее распространенным и наименее дорогим используемым хладагентом. Жидкий воздух используется в меньшей степени из-за содержания в нем жидкого кислорода , что делает его склонным вызывать пожар или взрывы при контакте с горючими материалами (см. оксиликвиты ).
Более низких температур можно достичь, используя сжиженный неон , температура кипения которого составляет около -246 °C. Самые низкие температуры, используемые для самых мощных сверхпроводящих магнитов , достигаются с использованием жидкого гелия .
жидкий водород В качестве охлаждающей жидкости также можно использовать при температуре от -250 до -265 °C. Жидкий водород также используется как топливо и как теплоноситель для охлаждения сопел и камер сгорания ракетных двигателей .
Наножидкости
[ редактировать ]Новым классом охлаждающих жидкостей являются наножидкости , которые состоят из жидкости-носителя, такой как вода, диспергированной с крошечными наноразмерными частицами, известными как наночастицы . Специально разработанные наночастицы, например , CuO , оксида алюминия , [ 6 ] диоксид титана , углеродные нанотрубки , кремнезем или металлы (например, меди или серебра наностержни ), диспергированные в жидкости-носителе, улучшают способность теплопередачи полученного хладагента по сравнению с одной только жидкостью-носителем. [ 7 ] Теоретически повышение может достигать 350%. Однако эксперименты не доказали столь высокого улучшения теплопроводности, но обнаружили значительное увеличение критического теплового потока теплоносителей. [ 8 ]
Некоторые существенные улучшения достижимы; например, серебряные наностержни диаметром 55-12 нм и средней длиной 12,8 мкм при 0,5 об.% увеличивали теплопроводность воды на 68%, а 0,5 об.% серебряных наностержней увеличивали теплопроводность теплоносителя на основе этиленгликоля на 98%. [ 9 ] Наночастицы оксида алюминия в концентрации 0,1% могут увеличить критический тепловой поток воды на целых 70%; частицы образуют шероховатую пористую поверхность на охлаждаемом объекте, что способствует образованию новых пузырьков, а их гидрофильная природа затем помогает их отталкивать, препятствуя образованию парового слоя. [ 10 ] Наножидкость с концентрацией более 5% действует как неньютоновская жидкость .
Твердые вещества
[ редактировать ]В некоторых приложениях в качестве охлаждающих жидкостей используются твердые материалы. Для испарения материалов требуется высокая энергия; эта энергия затем уносится испаряющимися газами. Этот подход распространен в космических полетах , для абляционных экранов входа в атмосферу и для охлаждения сопел ракетных двигателей . Тот же подход применяется и для огнезащиты конструкций, где применяется абляционное покрытие.
Сухой лед и водяной лед также могут использоваться в качестве охлаждающих жидкостей при непосредственном контакте с охлаждаемой конструкцией. Иногда используется дополнительный теплоноситель; вода со льдом и сухой лед в ацетоне — два популярных сочетания.
Сублимация водяного льда использовалась для охлаждения скафандра проекта «Аполлон» .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бетаин в качестве охлаждающей жидкости. Архивировано 9 апреля 2011 г. в Wayback Machine.
- ^ Жидкости Duratherm с продленным сроком службы
- ^ Корпорация Паратерм
- ^ Стерджесс, Стив (август 2009 г.). «Колонка: Сохраняйте хладнокровие» . Тяжелые грузоперевозки . Проверено 2 апреля 2018 г.
- ^ «ctemag.com» . Архивировано из оригинала 23 марта 2013 г. Проверено 2 октября 2011 г.
- ^ «Библиография Ногрехабади» . Архивировано из оригинала 13 ноября 2013 года . Проверено 13 ноября 2013 г.
- ^ Ван, Сян-Ци; Муджумдар, Арун С. (декабрь 2008 г.). «Обзор наножидкостей – часть II: эксперименты и приложения» . Бразильский журнал химической инженерии . 25 (4): 631–648. дои : 10.1590/S0104-66322008000400002 .
- ^ scienceblog.com. Архивировано 5 января 2010 г., в Wayback Machine.
- ^ Ольденбург, Стивен Дж.; Сиккинен, Эндрю Р.; Дарлингтон, Томас К.; Болдуин, Ричард К. (9 июля 2007 г.). «Оптимизированные наножидкостные охлаждающие жидкости для систем терморегулирования космических аппаратов». Серия технических документов SAE . Том. 1. стр. 2007–01–3128. дои : 10.4271/2007-01-3128 .
- ^ mit.edu
Внешние ссылки
[ редактировать ]