Введение

Вещество, используемое для снижения или регулирования температуры системы. Охлаждающая жидкость – это вещество, как правило, жидкое, которое используется для снижения или регулирования температуры системы. Идеальная охлаждающая жидкость обладает высокой теплоемкостью, низкой вязкостью, является недорогой, нетоксичной, химически инертной и не вызывает, и не способствует коррозии системы охлаждения. В некоторых применениях также требуется, чтобы охлаждающая жидкость была электрическим изолятором. Хотя термин "охлаждающая жидкость" обычно используется в автомобильной промышленности и системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), в промышленной обработке чаще используется технический термин "теплоноситель", особенно в процессах, требующих высоких и низких температур. Этот термин также охватывает смазочно-охлаждающие жидкости. Промышленные смазочно-охлаждающие жидкости обычно классифицируются на водорастворимые и чистые. Водорастворимая смазочно-охлаждающая жидкость представляет собой эмульсию масла в воде с различным содержанием масла, вплоть до полностью синтетических жидкостей (без содержания масла). Эта жидкость может оставаться в жидком или газообразном состоянии, либо претерпевать фазовый переход, при этом скрытая теплота способствует повышению эффективности охлаждения. Последний вариант, используемый для достижения температуры ниже температуры окружающей среды, чаще известен как хладагент.

Газы

Воздух – распространенная форма охлаждающей среды. Воздушное охлаждение использует конвективный поток воздуха (пассивное охлаждение) или принудительную циркуляцию с помощью вентиляторов. Водород применяется как высокоэффективная газовая охлаждающая среда. Его теплопроводность выше, чем у всех остальных газов, он обладает высокой удельной теплоемкостью, низкой плотностью и, следовательно, низкой вязкостью, что является преимуществом для вращающихся машин, чувствительных к потерям на трение. Турбогенераторы с водородным охлаждением в настоящее время являются наиболее распространенными электрическими генераторами на крупных электростанциях. Инертные газы используются в качестве охлаждающих сред в газоохлаждаемых ядерных реакторах. Гелий имеет низкую склонность к поглощению нейтронов и превращению в радиоактивный изотоп. Диоксид углерода используется в реакторах Magnox и AGR. Гексафторид серы применяется для охлаждения и изоляции некоторых высоковольтных энергосистем (выключатели, разъединители, некоторые трансформаторы и т.д.). Пар может использоваться там, где требуется высокая удельная теплоемкость в газообразном состоянии, с учетом коррозионных свойств горячей воды.

Двухфазный

Некоторые хладагенты используются как в жидком, так и в газообразном виде в одном контуре, используя высокую удельную теплоту фазового перехода при кипении/конденсации, энтальпию парообразования, в дополнение к теплоемкости жидкости без изменения фазы. Хладагенты – это вещества, используемые для достижения низких температур путем фазового перехода между жидкостью и газом. Ранее часто использовались галометаны, в основном R 12 и R 22, часто с сжиженным пропаном или другими галоалканами, такими как R 134a. Безводный аммиак широко применяется в крупных коммерческих системах, а диоксид серы использовался в первых механических холодильных установках. Диоксид углерода (R 744) применяется в качестве рабочего тела в системах климат-контроля автомобилей, бытовых кондиционерах, коммерческом холодильном оборудовании и торговых автоматах. Многие эффективные хладагенты выводятся из употребления по экологическим соображениям (хлорфторуглероды из-за воздействия на озоновый слой, а многие их преемники сталкиваются с ограничениями из-за глобального потепления, например, R134a). Тепловые трубы – это специализированное применение хладагентов. Вода иногда используется таким образом, например, в кипящих ядерных реакторах. Эффект фазового перехода может использоваться намеренно или быть нежелательным. Материалы с фазовым переходом используют другой фазовый переход – между твердым и жидким состояниями. Жидкие газы могут относиться как к этой категории, так и к хладагентам, поскольку их температура часто поддерживается за счет испарения. Жидкий азот – наиболее известный пример, встречающийся в лабораториях. Фазовый переход может происходить не на охлаждаемой поверхности, а на поверхности жидкости, куда тепло передается посредством конвекции или принудительного потока.

Жидкие

Вода — наиболее распространенная охлаждающая жидкость. Её высокая теплоемкость и низкая стоимость делают её подходящим теплоносителем. Обычно её используют с добавками, такими как ингибиторы коррозии и антифриз. Антифриз, раствор подходящего органического химического вещества (чаще всего этиленгликоля, диэтиленгликоля или пропиленгликоля) в воде, используется, когда охлаждающая жидкость на водной основе должна выдерживать температуры ниже 0 °C или когда её температуру кипения необходимо повысить. Бетаин — похожая охлаждающая жидкость, за исключением того, что она изготовлена из чистого растительного сока и не является токсичной или сложной в экологической утилизации. Очень чистая деионизированная вода, благодаря относительно низкой электропроводности, используется для охлаждения некоторого электрического оборудования, часто высокомощных передатчиков и вакуумных ламп большой мощности. Тяжёлая вода является нейтронным замедлителем, используемым в некоторых ядерных реакторах; она также выполняет вторичную функцию в качестве их охлаждающей жидкости. Легководные реакторы, как кипящие, так и реакторы с водой под давлением — наиболее распространенный тип, — используют обычную (легкую) воду. Некоторые конструкции, например, реактор CANDU, используют оба типа: тяжелую воду в некаландрированном резервуаре в качестве замедлителя и дополнительного охлаждающего агента, а легкую воду — в качестве первичного теплоносителя. Полиалкиленгликоль (ПАГ) используется в качестве высокотемпературных, термостабильных теплоносителей, обладающих высокой устойчивостью к окислению. Современные ПАГ также могут быть нетоксичными и безопасными. Охлаждающая жидкость для резки служит одновременно охлаждающей жидкостью и смазкой для станков для обработки металлов. Масла часто используются в тех случаях, когда вода не подходит. Благодаря более высокой температуре кипения, чем у воды, масла можно нагревать до значительно более высоких температур (выше 100 градусов Цельсия), не создавая высокого давления в контейнере или контуре системы. Многие масла используются для теплопередачи, смазки, передачи давления (гидравлические жидкости), иногда даже в качестве топлива или для нескольких таких функций одновременно. Минеральные масла служат как охлаждающими, так и смазочными материалами во многих механических зубчатых передачах. Также используются некоторые растительные масла, например, касторовое масло. Благодаря высокой температуре кипения минеральные масла используются в переносных электрических радиаторах в жилых помещениях и в системах замкнутого цикла для промышленного нагрева и охлаждения. Минеральное масло часто используется в погруженных компьютерных системах, поскольку оно не является проводящим и, следовательно, не вызовет короткого замыкания или повреждения компонентов. Полифениловые эфирные масла подходят для применений, требующих высокой температурной стабильности, очень низкой летучести, естественной смазывающей способности и/или устойчивости к излучению. Перфторполиэфирные масла являются их более химически инертным вариантом. Эвтектическая смесь дифенилового эфира (73,5%) и бифенила (26,5%) используется благодаря широкому диапазону температур и стабильности до 400 °C. Полихлорированные бифенилы и полихлорированные терфенилы использовались в системах теплопередачи, предпочтительно из-за их низкой воспламеняемости, химической стойкости, гидрофобности и благоприятных электрических свойств, но в настоящее время они выводятся из употребления из-за их токсичности и биоаккумуляции. Силиконовые масла и фторуглеродные масла (например, фторсодержащие) предпочтительны из-за их широкого диапазона рабочих температур. Однако их высокая стоимость ограничивает их применение. Трансформаторное масло используется для охлаждения и дополнительной электрической изоляции мощных электрических трансформаторов. Обычно используются минеральные масла. Силиконовые масла используются для специальных применений. Полихлорированные бифенилы обычно использовались в старом оборудовании, которое теперь может представлять риск загрязнения. 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 другое авиационное топливо часто используются для этой цели в авиационных двигателях. Жидкий водород используется для охлаждения сопел ракетных двигателей. Безводная охлаждающая жидкость используется в качестве альтернативы традиционным водно-этиленгликолевым охлаждающим жидкостям. Благодаря более высокой температуре кипения, чем у воды (около 370 °F), эта технология предотвращает закипание. Жидкость также предотвращает коррозию. Фреоны часто использовались для иммерсионного охлаждения, например, электроники.

Расплавленные металлы и соли

Жидкие легкоплавкие сплавы могут использоваться в качестве теплоносителей в приложениях, где требуется высокая термостойкость, например, в некоторых быстроразмножающих ядерных реакторах. Часто применяются натрий (в быстроразмножающих реакторах с натриевым теплоносителем) или сплав натрия и калия NaK; в отдельных случаях может использоваться литий. Другим жидким металлом, используемым в качестве теплоносителя, является свинец, например, в быстроразмножающих реакторах со свинцовым теплоносителем или в свинцово-висмутовом сплаве. В некоторых ранних реакторах с быстрыми нейтронами использовалась ртуть. Для определенных применений стержни автомобильных тарельчатых клапанов могут быть полыми и заполнены натрием для улучшения теплоотвода и теплопередачи. Для применений при очень высоких температурах, например, в реакторах с расплавленными солями или реакторах с очень высокой температурой, в качестве теплоносителей могут использоваться расплавленные соли. Одной из возможных комбинаций является смесь фторида натрия и тетрафторбората натрия (NaF NaBF4). Другие варианты – FLiBe и FLiNaK.

Жидкие газы

Сжиженные газы используются в качестве хладагентов для криогенных применений, включая криоэлектронную микроскопию, разгон компьютерных процессоров, применение сверхпроводников или чрезвычайно чувствительных датчиков и малошумящих усилителей. Диоксид углерода (химическая формула CO2) используется как замена охлаждающей жидкости для режущих жидкостей. CO2 может обеспечивать контролируемое охлаждение в зоне резания, поддерживая режущий инструмент и заготовку при комнатной температуре. Использование CO2 значительно увеличивает срок службы инструмента, а на большинстве материалов позволяет проводить операцию быстрее. Этот метод считается очень экологичным, особенно по сравнению с использованием нефтяных масел в качестве смазочных материалов; детали остаются чистыми и сухими, что часто позволяет избежать вторичных операций очистки. Жидкий азот, кипящий при температуре около 196 °C (77 K), является наиболее распространенным и недорогим хладагентом. Жидкий воздух используется реже из-за содержания в нем жидкого кислорода, что делает его склонным к возгоранию или взрыву при контакте с горючими материалами (см. оксиликвиты). Более низкие температуры можно достичь с помощью сжиженного неона, кипящего при температуре около 246 °C. Самые низкие температуры, необходимые для самых мощных сверхпроводящих магнитов, достигаются с помощью жидкого гелия. Жидкий водород при температуре от 250 до 265 °C также может использоваться в качестве хладагента. Жидкий водород также применяется как топливо и как хладагент для охлаждения сопел и камер сгорания ракетных двигателей.

Наножидкости

Новый класс охлаждающих жидкостей – наножидкости, которые состоят из жидкости-носителя, например воды, в которой диспергированы крошечные частицы наномасштаба, известные как наночастицы. Наночастицы, разработанные для конкретных целей, такие как CuO, оксид алюминия, диоксид титана, углеродные нанотрубки, кремнезем или металлы (например, медные или серебряные наностержни), диспергированные в жидкости-носителе, повышают теплопередающие свойства результирующей охлаждающей жидкости по сравнению с самой жидкостью-носителем. Теоретически, это повышение может достигать 350%. Однако эксперименты не подтвердили столь значительного улучшения теплопроводности, но показали существенное увеличение критического теплового потока охлаждающих жидкостей. Достижимы и другие заметные улучшения: например, серебряные наностержни диаметром 55±12 нм и средней длиной 12,8 мкм при концентрации 0,5 об.% увеличили теплопроводность воды на 68%, а 0,5 об.% серебряных наностержней увеличили теплопроводность охлаждающей жидкости на основе этиленгликоля на 98%. Наночастицы оксида алюминия при концентрации 0,1% могут увеличить критический тепловой поток воды до 70%; частицы формируют шероховатую пористую поверхность на охлаждаемом объекте, что способствует образованию новых пузырьков, а их гидрофильные свойства помогают отталкивать их, препятствуя образованию парового слоя. Наножидкости с концентрацией более 5% ведут себя как жидкости, не подчиняющиеся закону Ньютона.

Твердые вещества

В некоторых приложениях твердые материалы используются в качестве хладагентов. Для испарения этих материалов требуется большое количество энергии, которая затем отводится вместе с образовавшимся паром. Этот подход широко применяется в космической технике, например, в абляционных теплозащитных экранах для спуска в атмосферу и для охлаждения сопел ракетных двигателей. Аналогичный принцип используется и для огнезащиты конструкций, где применяется абляционное покрытие. Сухой лед и водяной лед также могут использоваться в качестве хладагентов при непосредственном контакте с охлаждаемым объектом. В некоторых случаях используется дополнительная теплоноситель; популярными сочетаниями являются вода со льдом и сухой лед в ацетоне. Сублимация водяного льда применялась для охлаждения скафандра в рамках программы "Аполлон".