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 автомобильной промышленности 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 .
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.
В качестве теплоносителей в ядерных реакторах с газовым охлаждением используются инертные газы . 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.
Некоторые охлаждающие жидкости используются как в жидкой, так и в газообразной форме в одном и том же контуре, используя преимущества высокой удельной скрытой теплоты фазового перехода кипения/конденсации , энтальпии испарения , а также теплоемкости жидкости без фазового перехода .
Хладагенты — это охлаждающие жидкости, используемые для достижения низких температур за счет фазового перехода между жидкостью и газом. Часто использовались галогенметаны , 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.
Вода – самый распространенный теплоноситель. Высокая теплоемкость и низкая стоимость делают его подходящим теплоносителем. Обычно его 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 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]
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 передачи тепла, смазки, передачи давления (гидравлические жидкости), иногда даже в качестве топлива или для выполнения нескольких подобных функций одновременно.
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.
Жидкие легкоплавкие сплавы можно использовать в качестве теплоносителей в приложениях, где требуется высокая температурная стабильность, например, в некоторых ядерных реакторах на быстрых нейтронах . Часто используют натрий (в быстрых реакторах с натриевым охлаждением ) или натриево- калиевый сплав NaK ; в особых случаях можно использовать литий . 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 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 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 .
В качестве охлаждающей жидкости также можно использовать жидкий водород при температуре от -250 до -265 °C. Жидкий водород также используется как топливо и как теплоноситель для охлаждения сопел и камер сгорания ракетных двигателей .
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] диоксида титана , углеродных нанотрубок , кремнезема или металлов (например , наностержней меди или серебра ), диспергированные в жидкости-носителе, улучшают теплопередающие способности полученного хладагента по сравнению с жидкостью-носителем. один. [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.% повышали 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 неньютоновские жидкости .
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» .
