køleanlæg

I langt de fleste køleanlæg foregår varmetransporten ved, at en flygtig væske, kølemidlet, vekselvis bringes til at fordampe under lavt tryk (og dermed ved lav temperatur) og atter fortættes til væske (kondensere) ved et højere tryk. Man udnytter her det forhold, at en væskes kogepunkt stiger med det tryk, der opretholdes over den, samt at der ved fordampning optages varme, og ved kondensering afgives varme.

I sin enkleste form består et køleanlæg af fem komponenter, som forbundet med rørledninger danner et lukket system: en fordamper, en kompressor, en kondensator, en opsamlingsbeholder for kølemiddelvæsken (eng. receiver) samt en indsprøjtningsventil, der regulerer væsketilførslen til fordamperen. Kompressoren, som er en form for gaspumpe, suger kølemiddeldamp fra fordamperen og opretholder derved så lavt et tryk i denne, at kølemidlets kogepunkt ligger 5-15 °C under den temperatur, man ønsker at opnå fx i et kølerum. Dampen komprimeres til et tryk, der er så højt, at kogepunktet nu ligger tilsvarende over temperaturen på det tilgængelige kølevand eller den omgivende luft. Dampen vil derfor kunne fortættes i den vand- eller luftkølede kondensator, og væsken opsamles i receiveren. Herfra strømmer den tilbage til fordamperen igennem indsprøjtningsventilen, hvori der sker en trykreduktion (drøvling) fra kondensator- til fordampertrykket.

Den nødvendige energitilførsel til kompressoren stiger med forskellen mellem kondenserings- og fordampningstemperaturen. For køleanlæg, der arbejder ved lave fordampningstemperaturer (ca. −30 °C og derunder), deler man ofte kompressionen i to trin og køler dampen mellem trinene, bl.a. fordi man herved kan reducere energiforbruget.

Ved fordampningstemperaturer under −40 °C til −50 °C løber man ind i det problem, at hvis kølemidlets tryk ved kondenseringen ikke skal blive for højt (man går i sædvanlige køleanlæg ikke gerne over ca. 20 bar), bliver fordampertrykket meget lavt, og dampens volumen overordentlig stort. For at undgå de ulemper, der følger heraf mht. kompressorstørrelse og -virkningsgrad, udformes lavtemperaturdelen af anlægget som et separat køleanlæg med et kølemiddel, hvis damptryk passer bedre til de lave temperaturer. Høj- og lavtemperaturdelen er koblet sammen i en varmeveksler, der på samme tid er kondensator for lavtemperaturdelen og fordamper for højtemperaturdelen (kaskadekobling). Ved temperaturer på −80 °C til −100 °C bruger man tre trin.

Man skelner mellem køleanlæg med direkte køling, hvor fordamperne er placeret på de steder, hvor kølebehovet er, og anlæg med indirekte køling, i hvilke en sekundær kuldebærer (brine) køles i en centralt placeret fordamper og gennem et rørsystem fordeles til de enkelte kølesteder. Der er fordele og ulemper ved begge systemer. For direkte køling taler, at energiforbruget er lavere, dels fordi man undgår den ekstra temperaturdifferens mellem det fordampende kølemiddel og brinen, dels fordi det koster energi at cirkulere brinen. Endvidere er anskaffelsesprisen lavere. Fordelene ved det indirekte system er, at kølemiddelfyldningen bliver mindre, især for anlæg med mange kølesteder, og at den del af anlægget, hvori kølemidlet findes, kan isoleres i et maskinrum. Det sidstnævnte er især af betydning, hvor man ønsker at anvende et kølemiddel som fx ammoniak på steder, hvor dette kan indebære en sikkerhedsrisiko. Et eksempel er butikskøleanlæg, hvor udfasningen af CFC- og HCFC-kølemidler har styrket interessen for at bruge naturligt forekommende kølemidler.

Det væsentligste anvendelsesområde for køleanlæg, og det, som i begyndelsen af 1800-t. satte udviklingen af kunstig køling i gang, findes i forbindelse med forarbejdning, køling og/eller indfrysning, opbevaring og transport af letfordærvelige levnedsmidler. Det meget udbredte konsum af kølede og frosne varer, som har udviklet sig i industrilandene i anden halvdel af 1900-t., har som forudsætning en ubrudt kølekæde fra producent over forarbejdning og distribution til den enkelte forbruger. En følge heraf er, at husholdnings- og butikskøleanlæg tegner sig for en betydelig del af industrilandenes elforbrug; for Danmarks vedkommende drejer det sig om ca. 20 %.

I levnedsmiddelindustrien forekommer de største kuldebehov ved nedkøling og frysning, idet det er afgørende for kvaliteten af produkterne, at disse processer sker så hurtigt som muligt. Et godt eksempel er nedkølingen af svinekroppe på slagterier, et område, hvor man i Danmark har været førende i udviklingen. Hængende på kroge føres de varme kroppe gennem en køletunnel, hvor de udsættes for kraftig blæst og en lufttemperatur på −20 °C. I løbet af ca. 70 min fjernes hovedparten af den overskydende varme, men der er dog stadig store temperaturforskelle mellem overfladen, der på ydersiden når at fryse i et ganske tyndt lag, og det indre af de kødfulde dele. Kroppene føres derfor til et kølerum, hvor der i løbet af 16-20 timer sker en temperaturudligning, samtidig med at kroppene køles yderligere 1-2 grader til den ønskede temperatur på ca. 5 °C. Ved at anvende så voldsom en køling begrænses det svind, der skyldes fordampning fra kroppen.

Også inden for andre industrigrene er der kølebehov, som ikke kan dækkes med kølevand af den temperatur, et køletårn kan præstere. Som eksempel kan nævnes plastindustrien, hvor krav til hurtig nedkøling af produkterne eller til køling af ekstruderingsværktøjer gør det nødvendigt at have koldt kølevand til rådighed. Til sådanne formål findes koldtvandsaggregater, hvor en kompressor er sammenbygget med en vandkølet kondensator og en vandkøler til en kompakt enhed. Aggregater af denne type anvendes også i vid udstrækning til luftkonditionering, især i store anlæg med mange kølesteder.

Til andre kølemetoder hører køling i koldluftanlæg, termoelektrisk køling og magnetisk køling. Den sidste metode er endnu kun på forsøgsstadiet.