kuldeanlegg

Ved bruk av kuldeblandinger skjer varmeopptak fordi kuldeblandingen har lavere temperatur enn omgivelsene, og varmen fører til smelting av blandingen.

Ved ekspansjonsprosesser utnyttes effekten av at en gass som ekspanderer langs en prosess mellom isotermen og den reversible adiabat, får en temperatursenkning. Den kalde gassen benyttes så til avkjøling. I kaldluftmaskinen foregår ekspansjonen (trykkreduksjonen) som regel i en turbin, og temperatursenkningen skyldes i det vesentlige at det arbeidet som turbinen produserer tas fra gassens indre energi. Prinsippet brukes blant annet for kjøling i hurtiggående fly.

Ved Linde-prosessen i sin enkleste form er ekspansjonen en ren strupning (trykkreduksjon uten arbeid), og avkjølingen fremkommer ved Joule–Thomson-effekt. Metoden kan brukes ved fremstilling av luft og andre gasser i flytende form, men er etter hvert blitt erstattet av mer kompliserte og effektive systemer.

Ved fordampningsprosesser fremkommer avkjølingen ved at en lettflyktig væske, kuldemediet, fordamper og på den måten binder varme. De vanligste kuldemaskinene tilhører denne gruppen. De tre mest vanlige kuldemedier var inntil nylig det «naturlige mediet» ammoniakk (NH₃), og de kjemisk fremstilte R-12 (CH₂Cl₂) og R-22 (CHF₂Cl), som alle har normalkokepunkt i 30–400 °C. Disse stoffene forårsaker nedbryting av ozonlaget og bidrar til drivhuseffekten. Ifølge Montreal-protokollen, som trådte i kraft i 1989, er bruk av R-12 forbudt og R-22 vil bli regulert (se også nedenfor, miljø).

Virkemåten er basert på at kuldemediets metningstemperatur øker med trykket, og at en væske som fordamper, binder varme. Kuldeanleggets varmeopptak skjer i fordamperen ved at trykket holdes så lavt at metningstemperaturen blir lavere enn der fordamperen står. Dermed kan varme strømme inn og fordampe kuldemediet. Kuldemediet sirkuleres i et lukket kretsløp inne i kuldeanlegget, og dampen som dannes, må bringes tilbake til væskeform før den kan brukes til kjøling på ny. Dette skjer ved å øke trykket på dampen så mye at metningstemperaturen blir høyere enn i omgivelsene. Derved kan nødvendig varme avgis i kondensatoren, slik at dampen kondenserer, før den gjennom strupeorganet slippes tilbake til fordamperen for nytt varmeopptak.

Alt etter hvordan trykkøkningen skjer, skjelner man mellom kompressorkuldeanlegg og absorpsjonskuldeanlegg. Når man skal ned i meget lave temperaturer, brukes kompliserte anlegg med kompresjon i flere trinn.

I absorpsjonskuldeanlegget erstattes den mekaniske kompressoren, som drives av mekanisk arbeid generert av elektrisitet, av en såkalt termisk kompresjon. Denne foregår i tre trinn: Først absorberes kuldemediet fra fordamperen i en løsningsvæske i absorberen. Deretter økes trykket på blandingen i en pumpe, med minimalt energiforbruk. Til slutt kokes høytrykks kuldemediedamp ut av blandingen i kokeren, slik at den kan føres videre til kondensatoren. Her ligger absorpsjonsanleggets energibehov, da dette krever tilførsel av varme. Som regel brukes ammoniakk som kuldemedium, og vann som løsningsmedium.

Absorpsjonsanlegget kan altså drives av varme, men systemet er bare økonomisk når man har meget billig varmeenergi til disposisjon, eller når kuldeytelsen er så liten at varmeforbruket er uten betydning.

Det er også utviklet ganske små absorpsjonskuldeanlegg til bruk i kjøleskap. Ved det mest vanlige systemet oppveies trykkforskjellen mellom kondensator/koker og fordamper/absorber ved en fylling med hydrogen, som ellers ikke deltar i prosessen. Siden totaltrykket er det samme i hele systemet, kan sirkulasjon av ammoniakk, vann og hydrogen skje ved tyngdeforskjeller i systemet. Derved får vi et kuldeanlegg uten bevegelige deler.

Direkte elektriske prosesser er ennå lite brukt, men det er utviklet apparater som utnytter Peltiereffekt for kjøling av mindre kjøleskap og en lang rekke andre anvendelser, der enkelhet, små dimensjoner og lydløshet er av betydning.

Magnetiske prosesser brukes for å nå de aller laveste temperaturene (se kryogenikk), og har foreløpig vesentlig interesse for den fysiske forskning. Man har ved slike metoder kommet ned til ca. 1 μK (mikrograd Kelvin), dvs. 1 milliondels grad fra det absolutte nullpunkt.

Innsatsen for å bevare ozonlaget reguleres av Montreal-protokollen som trådte i kraft i 1989 og er revidert flere ganger, hver gang med betydelig skjerping. Den første delen av arbeidet dreide seg om utfasing av KFK, og fra 1995 ble det i Norge forbudt å produsere og bruke kuldemediet KFK-12 i nye anlegg. Mot slutten av 1990-årene startet arbeidet med utfasing av HKFK (herunder HKFK-22), som skal være ferdig i 2030.

Som en følge av disse reguleringene er kuldebransjen inne i et større teknologisk skifte; det må bringes frem nye løsninger som gjør det mulig å gjennomføre omleggingsprosessen. Man utvikler både kjemiske og naturlige kuldemedier. Den kjemiske industrien har funnet frem til flere nye kunstige kuldemedier uten ozon-nedbrytende effekt, som kan brukes i omtrent samme type utstyr som nå. I første rekke HFK-134a som skal erstatte KFK-12, og som har vært spesielt viktig for å klare den raske utfasingen av dette mediet. Den kjemiske strategien er av avgjørende betydning for å løse de kortsiktige problemene. De nye stoffene er imidlertid drivhusgasser, og det knytter seg usikkerhet til bruken på lengre sikt.

Strategien naturlige medier innebærer at man velger ut stoffer som finnes i naturens kretsløp, og så utvikler utstyr som gjør det mulig å bygge effektive og sikre kuldeanlegg med disse. Man søker å utvikle teknologi som fremmer bruk av ammoniakk, hydrokarboner, karbondioksid (CO₂), vann, luft m.m. Dette arbeidet trenger mer tid, men det er mange som tror arbeidet med naturlige medier vil bringe frem de langsiktige løsningene som en fremtidig «ren» kuldebransje vil trenge.