Celem niniejszego artykułu jest omówienie i zapoznanie inżynierów chłodnictwa z nowymi trendami w rozwoju sprężarek chłodniczych, z którymi możemy mieć do czynienia już w niedalekiej przyszłości. Chce również zwrócić uwagę na te aspekty budowy sprężarek, które pozwolą nam, inżynierom chłodnictwa projektować optymalne i energooszczędne systemy i układy chłodnicze. Ze względu na ograniczoną objętość, zasady projektowania sprężarek będą pominięte. Artykuł jest kontynuacją tematu podjętego w wydaniu kwietniowym.

W tej części artykułu, która może wydawać się futurystyczna omówię sprężarki i procesy sprężania, które mogą i prawdopodobnie znajdą zastosowanie w przyszłości. Trudno w chwili obecnej ocenić przedział czasu, w jakim te nowe opisane poniżej technologie znajdą praktyczne zastosowanie. Pamiętać należy o tym, że dążymy do miniaturyzacji, obniżenia zużycia energii jak i obniżenia zużycia materiałów. Należy więc przypuszczać, że może to nastąpić w ciągu następnych około 15 lat. Będzie to zależało od nacisku przemysłu produkującego urządzenia chłodnicze na ośrodki badawcze, jak i od środków finansowych niezbędnych do badań i wdrożenia nowych technologii. Opisane poniżej niektóre propozycje rozwiązań, które nie były jak dotąd nigdzie wcześniej dyskutowane i opisane. Bazuję tu na moich własnych studiach, analizach teoretycznych i wyliczeniach.

Sprężarka Sterlinga (...)

Sprężarka ślimakowa(...)

Sprężarka akustyczna (...)

Chłodzenie magnetyczne
Bazując na najświeższych informacjach, ten rodzaj chłodzenia może znaleźć zastosowanie w chłodnictwie handlowym (średnim) w ciągu następnych około 10 lat, a w chłodnictwie małym (domowym) w ciągu około 15 lat. Wydaje mi się, że watro jednak tu o tym systemie wspomnieć.
Chłodzenie magnetyczne bazuje na efekcie magneto-kalorycznym (rys. 4). Polega on na tym, że niektóre sproszkowane metale posiadają zdolność ogrzewania się, kiedy są magnesowane i chłodzenia, kiedy pole magnetyczne jest usunięte. Z punktu widzenia podstaw fizyki proces ten jest analogiczny do konwencjonalnej metody sprężania/rozprężania czynnika chłodniczego. Podstawowym problemem było znalezienie materiału (lub materiałów), który mógłby pracować w temperaturze pokojowej (około +20°C). Jedynym takim materiałem jest gadolin (Gd). Jego maksymalna adiabatyczna temperatura rośnie około 2°C na 1 Tesla pola magnetycznego.
Zaletami tego systemu są:
- wyższa sprawność energetyczna od układów konwencjonalnych;
- brak czynnika chłodniczego, czyli całkowite bezpieczeństwo dla otoczenia;
- system ten jest regeneracyjny, tzn. automatycznie odpowiada na zmiany temperatury chłodnego i gorącego końca;
- cicha i bezszmerowa praca;
- wysoka sprawność energetyczna (bliska cyklu Carnota) związana z odwracalnością procesu;
- wyjątkowo prosty i łatwy w obsłudze układ;
- niskie ciśnienie, praktycznie atmosferyczne, co jest ważne w układach klimatyzacji i w specjalnych zastosowaniach.

Układ Sterlinga firmy ProCooling(USA); po prawej stronie zdjęcia widoczna część zimna układu (oszronienie)

Wadami są następujące elementy systemu:
- stosunkowo drogie materiały mogące pracować w temperaturze otoczenia;
- sprawność układu gwałtownie spada ze wzrostem temperatury otoczenia (przy użyciu czystego gadolinu, ze względu na brak niewystarczająco dobrego materiału);
- trudności produkcyjne i łatwość korozji gadolinu w obecności wilgoci;
- wymagane kriogeniczne wartości temperatury do chłodzenia magnesów;
- kosztowne zabezpieczenie komponentów elektronicznych przed wpływem silnego pola magnetycznego elektromagnesów;
- wymagana wysoka czystość gadolinu, chcąc zapewnić wysoką sprawność układu – wysokie koszty (pewne nadzieje na poprawę sytuacji można wiązać ze stopem Gd5Si2Ge2. Materiał ten jednak jest ciągle w fazie badań i eksperymentów).

Biorąc pod uwagę powyższe aspekty i trudności, nie należy spodziewać się tych układów przed upływem następnych około 10÷15 lat.

Nanotechnologia
Nanotechnologia jest jedną z najnowszych dziedzin nauki, której podstawy dał amerykański fizyk Richard Feynman na spotkaniu w grudniu 1959 roku. Rozwój tej technologii nastąpił dopiero w ostatnich 20 latach. Polega ona na kontroli materii w skali atomów i komórek. Możnaby zadać pytanie, jak się to ma do sprężarek i chłodnictwa? Otóż, nanotechnologia najprawdopodobniej może mieć zastosowanie w sprężarkach i chłodnictwie już w niedalekiej przyszłości jako materiał konstrukcyjny lub jako materiał pomocniczy w procesie tłoczenia gazu.
Generalnie, nanotechnologia zajmuje się strukturami, których rozmiary wynoszą od 0,1 do 100 nanometra (1 nanometr = 10-9 metra) w co najmniej jednym wymiarze i obejmuje projektowanie nowych materiałów i urządzeń w tym zakresie wymiarowym. Jest różnorodna i posiada potencjalne możliwości kreowania wielu nowych, dotąd nieznanych materiałów i przyrządów z bardzo szeroką gamą zastosowań, w takich dziedzinach jak:
- medycyna,
- produkcja energii,
- informatyka,
- przemysł ciężki,
- chemia,
- optyka,
- kosmetyka,
- farmacja itp.

Jak to zwykle bywa z nowymi technologiami, nasuwa się wiele pytań i wątpliwości związanych z toksycznością tych nowych materiałów, ich wpływem na środowisko jak i na światową ekonomię. Oczywiście, jako całkowita nowość, technologia ta ma wielu zwolenników jak i wrogów. Według nie do końca potwierdzonych badań (zbyt mało czasu upłynęło od momentu pierwszego zastosowania nanomateriałów) nanosrebro jak i nanowęglowe wielościanowe rurki mają być zakazane w zastosowaniu do urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Problem polega na tym, że wyżej wymienione nanomateriały (nie można wykluczyć, że i inne również) zachowują się podobnie do azbestu, który wdychany powodował zachorowania na raka płuc.
Skoncentruje się poniżej na potencjalnym zastosowaniu nanotechnologii w chłodnictwie.

Wymiana ciepła(...)

Układ chłodniczy bez części ruchomych(...)

Sprężarka naturalna(...)

Podsumowanie
Z chwilą wprowadzenia do produkcji sprężarek spiralnych słyszało się glosy przewidujące zanik sprężarek tłokowych. Jak widzimy, sprężarki tłokowe są niezastąpione i uważać je można za jedne z najbardziej uniwersalnych sprężarek jakie kiedykolwiek wyprodukowano. Są i będą one jeszcze przez wiele lat niezastąpione w średnich a szczególnie w małych układach chłodniczych (np. domowych). Należy oczekiwać dalszego rozwoju tych sprężarek. Również sprężarki spiralne, które niewątpliwie charakteryzują się najwyższą sprawnością (poza sprężarkami odśrodkowymi) ulegną modyfikacji. Rozwój tych sprężarek pójdzie w kierunku ich miniaturyzacji (co nie będzie łatwe) jak i obniżenia wydajności chłodniczej. Jeżeli natomiast chodzi o sprężarki rotacyjne, to oczekujmy coraz częstszego stosowania ich w handlowych urządzeniach chłodniczych z układem hermetycznym. Jeżeli w pełni rozwiąże się problem smarowania sprężarek rotacyjnych poziomych, w określonym zakresie wydajności będą one bardzo konkurencyjne w stosunku do sprężarek tłokowych.
W ciągu najbliższych od 8 do 10 lat nie oczkujmy jednak pojawienia się na rynku „supersprężarek” lub układów chłodniczych, które będą w stanie całkowicie wyeliminować sprężarki mechaniczne obecnie produkowane. Opracowanie i przebadanie nowego typu sprężarki to proces około 10÷12 lat. Możemy natomiast oczekiwać przede wszystkim poprawy parametrów energetycznych i miniaturyzacji.

LITERATURA
[1] Literatura firmy Embraco Company.
[2] Literatura firmy Carrier Corporation.
[3] Literatura firmy Sanyo Corporation.
[4] R. HESELBARTH: Mini mechanics keep soldiers cool by Design. RSES Journal. July 2001.
[5] Toshiba Develops Helical Compressor. JARN Journal. March 25, 1997.
[6] R. BOBYAK: Sound idea, acoustic compressor to power residential refrigerator. Appliance Manufacturer. June 1998.
[7] Project to assess use of magnetic refrigeration. ASHRAE Journal. January, 1999.
[8] K. NIKLAS: The evolutionary biology of plants. Chicago and London. The university of Chicago Press. 1997.
[9] K. WILSON and D. J. B. WHITE: The anatomy of wood: its diversity and variability. Stobart & Son Ltd. London, 1986.
[10] Wikipedia.
[11] Temperatures very low and very high. New York. Dover 1981.
[12] K. G. SCHNEIDER Jr., K. GIBSON: Magnetic refrigerator successuly tested. Ames Laboratory News Release. Ames Laboratory., Dec. 7, 2001. 

AUTOR: Andrzej WESOŁOWSKI
– były pracownik Carrier, York i Embraco, USA