Охлаждающая жидкость — это вещество, обычно жидкость, которое используется для снижения или регулирования температуры системы. Идеальная охлаждающая жидкость имеет высокую теплоемкость , низкую вязкость , является недорогой, нетоксичной , химически инертной и не вызывает и не способствует коррозии системы охлаждения. В некоторых приложениях также требуется, чтобы охлаждающая жидкость была электроизолятором .
В то время как термин «охлаждающая жидкость» обычно используется в автомобильной промышленности и системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха , в промышленной обработке жидкий теплоноситель — это один технический термин, который чаще используется в высокотемпературных и низкотемпературных производственных приложениях. Термин также охватывает смазочно-охлаждающие жидкости . Промышленная смазочно-охлаждающая жидкость в целом классифицируется как водорастворимая смазочно-охлаждающая жидкость и чистая смазочно-охлаждающая жидкость. Водорастворимая смазочно-охлаждающая жидкость — это эмульсия масла в воде. Она имеет различное содержание масла от нулевого (синтетическая смазочно-охлаждающая жидкость).
Этот хладагент может либо сохранять свою фазу и оставаться жидким или газообразным, либо может претерпевать фазовый переход , при этом скрытая теплота увеличивает эффективность охлаждения. Последний, когда используется для достижения температуры ниже температуры окружающей среды , более известен как хладагент .
Воздух является распространенной формой охлаждающей жидкости. Воздушное охлаждение использует либо конвективный поток воздуха (пассивное охлаждение), либо принудительную циркуляцию с использованием вентиляторов .
Водород используется как высокопроизводительный газообразный хладагент. 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 ветер . Турбогенераторы с водородным охлаждением в настоящее время являются наиболее распространенными электрогенераторами на крупных электростанциях.
Инертные газы используются в качестве охладителей в газоохлаждаемых ядерных реакторах . Гелий имеет низкую тенденцию поглощать нейтроны и становиться радиоактивным . Углекислый газ используется в реакторах Magnox и AGR .
Гексафторид серы используется для охлаждения и изоляции некоторых высоковольтных энергетических систем ( выключателей , переключателей , некоторых трансформаторов и т. д.).
Пар можно использовать там, где требуется высокая удельная теплоемкость в газообразной форме и учитываются коррозионные свойства горячей воды.
Некоторые охлаждающие жидкости используются как в жидкой, так и в газообразной форме в одном и том же контуре, используя высокую удельную скрытую теплоту фазового перехода кипения/конденсации , энтальпию испарения , в дополнение к теплоемкости жидкости без фазового перехода .
Хладагенты — это охлаждающие вещества, используемые для достижения низких температур путем фазового перехода между жидкостью и газом. Часто использовались галометаны , чаще всего R-12 и R-22 , часто со сжиженным пропаном или другими галоалканами, такими как R-134a . Безводный аммиак часто используется в крупных коммерческих системах, а диоксид серы использовался в ранних механических холодильниках. Диоксид углерода (R-744) используется в качестве рабочей жидкости в системах климат-контроля для автомобилей, бытовых кондиционеров, коммерческих холодильников и торговых автоматов. Многие в остальном отличные 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 трубки представляют собой особую область применения хладагентов.
Иногда вода используется таким образом, например, в реакторах с кипящей водой . Эффект изменения фазы может быть использован намеренно, а может быть и вредным.
Материалы с фазовым переходом используют другой фазовый переход между твердым телом и жидкостью.
Жидкие газы могут попадать сюда или в хладагенты, поскольку их температура часто поддерживается за счет испарения. Жидкий азот — наиболее известный пример, встречающийся в лабораториях. Фазовый переход может происходить не на охлажденном интерфейсе, а на поверхности жидкости, куда тепло передается конвективным или вынужденным потоком.
Вода является наиболее распространенным охлаждающим веществом. Ее высокая теплоемкость и низкая стоимость делают ее подходящей средой для теплопередачи. Обычно ее используют 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 повышена. Бетаин является похожим охлаждающим веществом, за исключением того, что он производится из чистого сока растений и не является токсичным или его трудно утилизировать экологически. [1]
Полиалкиленгликоль (ПАГ) используется в качестве высокотемпературных, термически стабильных теплоносителей, обладающих высокой устойчивостью к окислению. Современные ПАГ также могут быть нетоксичными и неопасными. [2]
Смазочно-охлаждающая жидкость — это охлаждающая жидкость, которая также служит смазкой для металлообрабатывающих станков .
Масла часто используются в приложениях, где вода не подходит. Имея более высокие точки кипения, чем вода, масла можно нагревать до значительно более высоких температур (выше 100 градусов по Цельсию) без создания высокого давления в рассматриваемой емкости или системе контура. [3] Многие масла имеют применение, охватывающее передачу тепла, смазку, передачу давления (гидравлические жидкости), иногда даже топливо или несколько таких функций одновременно.
Топливо часто используется в качестве охлаждающей жидкости для двигателей. Холодное топливо протекает по некоторым частям двигателя, поглощая его отработанное тепло и предварительно нагреваясь перед сгоранием. Керосин и другие реактивные топлива часто выполняют эту роль в авиационных двигателях. Жидкий водород используется для охлаждения сопел ракетных двигателей .
Безводная охлаждающая жидкость используется как альтернатива обычной воде и этиленгликолю. Имея более высокую температуру кипения, чем у воды (около 370F), технология охлаждения противостоит выкипанию. Жидкость также предотвращает коррозию . [4]
Фреоны часто использовались для иммерсионного охлаждения , например, электроники.
Жидкие плавкие сплавы могут использоваться в качестве охладителей в приложениях, где требуется высокая температурная стабильность, например, в некоторых быстрых ядерных реакторах- размножителях . Натрий (в быстрых реакторах с натриевым охлаждением ) или сплав натрия и калия NaK часто используются; в особых случаях может использоваться литий . Другим жидким металлом, используемым в качестве охладителя, является свинец , например, в быстрых реакторах с свинцовым охлаждением , или сплав свинца и висмута . Некоторые ранние реакторы на быстрых нейтронах использовали ртуть .
Для некоторых применений штоки автомобильных тарельчатых клапанов могут быть полыми и заполнены натрием для улучшения теплопередачи и переноса.
Для очень высокотемпературных применений, например, реакторов с расплавленной солью или реакторов с очень высокой температурой , расплавленные соли могут использоваться в качестве охладителей. Одной из возможных комбинаций является смесь фторида натрия и тетрафторбората натрия (NaF-NaBF 4 ). Другие варианты — FLiBe и FLiNaK .
Сжиженные газы используются в качестве хладагентов для криогенных приложений, включая криоэлектронную микроскопию , разгон компьютерных процессоров, приложения, использующие сверхпроводники или чрезвычайно чувствительные датчики и очень малошумящие усилители .
Углекислый газ (химическая формула CO2 ) — используется в качестве замены охлаждающей жидкости [5] для смазочно-охлаждающих жидкостей. CO2 может обеспечить контролируемое охлаждение на границе раздела резания, так что режущий инструмент и заготовка поддерживаются при температуре окружающей среды. Использование CO2 значительно продлевает срок службы инструмента и на большинстве материалов позволяет выполнять операцию быстрее. Это считается очень экологически чистым методом, особенно по сравнению с использованием нефтяных масел в качестве смазочных материалов; детали остаются чистыми и сухими, что часто может исключить вторичные операции очистки.
Жидкий азот , кипит при температуре около -196 °C (77K), является наиболее распространенным и наименее дорогим охлаждающим веществом. Жидкий воздух используется в меньшей степени из-за содержания в нем жидкого кислорода , что делает его склонным вызывать пожары или взрывы при контакте с горючими материалами (см. оксижидкости ).
Более низкие температуры могут быть достигнуты с использованием жидкого неона , который кипит при температуре около -246 ° C. Самые низкие температуры, используемые для самых мощных сверхпроводящих магнитов , достигаются с использованием жидкого гелия .
Жидкий водород при температуре от -250 до -265 °C также может использоваться в качестве охлаждающей жидкости. Жидкий водород также используется как топливо и как охлаждающая жидкость для охлаждения сопел и камер сгорания ракетных двигателей .
Новый класс охлаждающих жидкостей — это наножидкости , которые состоят из жидкости-носителя, такой как вода, диспергированной с крошечными наночастицами, известными как наночастицы . Специально разработанные наночастицы, например, CuO , оксида алюминия , [6] диоксида титана , углеродных нанотрубок , кремния или металлов (например , меди или серебряных наностержней ), диспергированные в жидкости-носителе, улучшают возможности теплопередачи полученной охлаждающей жидкости по сравнению с одной только жидкостью-носителем. [7] Теоретически улучшение может достигать 350%. Однако эксперименты не доказали столь высоких улучшений теплопроводности, но обнаружили значительное увеличение критического теплового потока охлаждающих жидкостей. [8]
Некоторые существенные улучшения достижимы; например, серебряные наностержни диаметром 55±12 нм и средней длиной 12,8 мкм при 0,5 об.% увеличили теплопроводность воды на 68%, а 0,5 об.% серебряных наностержней увеличили теплопроводность охлаждающей жидкости на основе этиленгликоля на 98%. [9] Наночастицы оксида алюминия при 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 отталкивать их, препятствуя образованию парового слоя. [10] Наножидкость с концентрацией более 5% действует как неньютоновские жидкости .
В некоторых приложениях в качестве охладителей используются твердые материалы. Материалы требуют большой энергии для испарения; эта энергия затем уносится испаренными газами. Этот подход распространен в космических полетах , для абляционных щитов входа в атмосферу и для охлаждения сопел ракетных двигателей . Тот же подход используется и для противопожарной защиты конструкций, где применяется абляционное покрытие.
Сухой лед и водяной лед также могут использоваться в качестве охладителей при прямом контакте с охлаждаемой конструкцией. Иногда используется дополнительная теплопередающая жидкость; вода со льдом и сухой лед в ацетоне — две популярные пары.
Сублимация водяного льда использовалась для охлаждения скафандра в проекте «Аполлон» .
