Chłodnictwo

Chłodnictwo – dział techniki zajmujący się odprowadzaniem ciepła ze środowiska chłodzonego w celu uzyskania i utrzymania temperatur niższych od temperatury otoczenia. Ma największe zastosowanie w utrwalaniu żywności.

Najwcześniej poznanymi substancjami chłodniczymi były lód i śnieg. Już pięć tysięcy lat temu stosowano je w Chinach do chłodzenia napojów. Również Chińczycy przywozili z gór bloki lodu, które przechowywali aż do lata. Wikingowie pod koniec zimy zakopywali (na terenie domostw) żywność razem z lodem, natomiast Rzymianie transportowali z gór śnieg, który umieszczali w izolowanych słomą dołach tworząc w ten sposób prymitywne lodówki. Metoda ta była stosowana jeszcze w XVIII wieku w Anglii. W Egipcie oraz Indiach używano porowatych glinianych naczyń, w których efekt chłodzenia uzyskiwano dzięki odparowaniu części zawartości. Ten efekt wykorzystywali również Persowie, którzy zwiększali intensywność parowania przez nadmuch powietrza. Zimna woda płynęła w kanałach pod podłogą chłodząc wnętrze pałacu.

Odkrycie mikroorganizmów (pleśni, bakterii), a następnie wpływu temperatury na prędkość ich namnażania spowodowało wzrost zainteresowania chłodzeniem, jako sposobem konserwowania żywności. Jednak technika chłodnicza zaczęła rozwijać się gwałtownie dopiero w XIX wieku w trakcie rewolucji przemysłowej. Obecnie efekt chłodzenia uzyskujemy dzięki specjalnie budowanym urządzeniom chłodniczym.

Zastosowanie chłodnictwa

Niektóre obszary zastosowań techniki chłodniczej

Temperatura [°C]	Obszar zastosowań
−10 do 25	produkcja i przechowywanie żywności transport chłodniczy urządzenia klimatyzacyjne (ochładzanie i osuszanie powietrza) pompy ciepła obiekty sportowe (sztuczne lodowiska, skocznie) chłodzenie urządzeń przemysłowych (sprężarek powietrza, wtryskarek, radarów)
−50 do −10	zamrażanie żywności dla przechowalnictwa liofilizacja (suszenie sublimacyjne) skraplanie propanu i butanu
−180 do −50	produkcja suchego lodu kriobiologia i kriomedycyna (przechowywanie tkanek, operacji mózgu)
−270 do −180	skraplanie powietrza, tlenu, argonu, neonu, wodoru, helu lotnictwo i kosmonautyka kriofizyka (nadprzewodnictwo, nadpłynność)
ok. −273	zero absolutne badania fizyczne (budowa materii)

W przemyśle spożywczym

Najważniejszym obszarem zastosowań chłodnictwa jest utrwalanie, przechowywanie i transport łatwo psujących się artykułów spożywczych. Przeciwieństwie do innych metod utrwalania technika chłodnicza pozwala zachować produkty w pierwotnym stanie świeżości, bez zmiany smaku, koloru, czy zawartości witamin. Wadą jest wysoki koszt eksploatacji i utrzymania łańcucha chłodniczego oraz wysoki koszt czynników chłodniczych. Obniżenie temperatury produktów spowalnia tempo przemian fizycznych, biochemicznych i mikrobiologicznych. Aktywność endogennych enzymów zmniejsza się, wzrost większości bakterii i pleśni zostaje zahamowany. Następuje zmniejszone parowanie i mniejszy ubytek masy produktu. Spowalniają się procesy utleniania tłuszczów.

W zależności od stosowanej temperatury trwałość produktów ulega przedłużeniu. Przy wyższych wynosi ona rzędu kilku dni, przy –30 °C dochodzi ona do pół roku, bądź dłużej.

Stosowane techniki to mrożenie owiewowe, kriogeniczne, fluidyzacyjne, bądź rzadko stosowaną impingement.

Sposoby uzyskiwania obniżonych temperatur

topnienie – przejście ze stanu stałego w ciekły

Ciepło potrzebne do przeprowadzenia tego procesu pobierane jest z otoczenia (środowiska chłodzonego). Przykładem jest lód wodny, który był wykorzystywany od tysięcy lat w lodówkach już przez ludzi pierwotnych;

sublimacja – przejście ze stanu stałego w gazowy

Temperatura i ciepło sublimacji zależą od ciśnienia. W technice najczęściej wykorzystywany jest zestalony dwutlenek węgla – suchy lód;

parowanie – przejście ze stanu ciekłego w gazowy (parę)

Często realizowane jako wrzenie, czyli intensywne parowanie w całej objętości. Temperatura i ciepło parowania zależą od ciśnienia. Wraz ze spadkiem ciśnienia obniża się temperatura parowania. Zjawisko to wykorzystywane jest w urządzeniach chłodniczych sprężarkowych, strumienicowych i absorpcyjnych;

efekt Joule’a-Thomsona (nie mylić ze zjawiskiem Thomsona i ciepłem Joule’a)

Ekspansja gazu za pomocą dławienia izentalpowego. W przemianie tej nie wykonuje się pracy zewnętrznej, a ciśnienie obniża się bardzo szybko, tak że podczas procesu nie ma wymiany ciepła z otoczeniem. To zjawisko wykorzystywane jest w używanych powszechnie sprężarkowych urządzeniach chłodniczych;

rozprężanie gazów

Ekspansja sprężonego gazu połączona z wykonaniem pracy zewnętrznej powoduje obniżenie temperatury. Zjawisko to jest wykorzystywane w powietrznych urządzeniach chłodniczych oraz w urządzeniach do skraplania gazów;

efekt Peltiera

Powstawanie różnicy temperatur pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze złożone z dwóch różnych materiałów;

efekt Ranque’a – Hilscha

Zjawisko polegające na ziębieniu wirowym uzyskiwanym w tzw. rurze wirowej. Stosowane do zasilania laboratoryjnych komór chłodniczych, przyrządów hipotermicznych, klimatyzatorów indywidualnych (np. skafandry chroniące przed wpływem wysokich temperatur oraz ciśnień);

zjawisko desorpcji

w czasie desorpcji (np. uwalniania gazu przez ciecz) z otoczenia pobierane jest ciepło. Proces ten może być realizowany zarówno w małych urządzeniach (domowe chłodziarki absorpcyjne, pompy ciepła), jak i w dużych urządzeniach chłodniczych o wydajności sięgającej 1000 kW. Bywa używany w urządzeniach laboratoryjnych do otrzymywania temperatur w zakresie pomiędzy temperaturami ciekłego wodoru i ciekłego helu (bez skraplania helu);

efekt magnetokaloryczny

Rozmagnesowanie ciał paramagnetycznych wcześniej poddanych działaniu silnego pola magnetycznego, co jest połączone ze spadkiem temperatury.

termoakustyka

w wyniku działania fali akustycznej na specjalnie skonstruowanym wymienniku regeneracyjnym wytwarzany jest gradient temperatury