Külmuti

Külmuti ehk külmutusseade on seade, millega tekitatakse ja säilitatakse keskkonna temperatuurist madalamat temperatuuri.
Mehaanilise energia, elektri- või muu energia, aga ka soojuse varal toimub külmutis pöördringprotsess (Carnot' ringprotsess), milles soojus kandub madalama temperatuuriga kehalt või keskkonnast kõrgema temperatuuriga kehale või keskkonda. Sama soojusülekande põhimõtet kasutab soojuspump. Ainet, mille vahendusel soojus üle kandub, nimetatakse külmaaineks ehk külmutusagensiks. Kasutatavamad külmaained on freoonid, süsinikdioksiid (süsihappegaas) CO2, ammoniaagi, liitiumbromiidi, naatriumkloriidi, kaltsiumkloriidi vesilahused, propaan, etaan, eteen ja vesi. Soojuse ülekandmiseks väliskeskkonda kasutatakse mõnikord vahesoojuskandjaid – mittemürgiseid, tuleohutuid, lõhnata aineid.
Külmuteid kasutatakse koduse majapidamise kõrval toiduainete jahutamisel, külmutamisel ja hoidmisel kaupluses, piima jahutamisel lehmalaudas, veovahendites (külmutusautod, -laevad, -vagunid jt) samuti toiduaine-, keemia- jt tööstuste tehnoloogiliste operatsioonide teostamisel, tehisjää tekitamiseks liuväljal. Ehituses külmutatakse vesist ebastabiilset pinnast (jõgede ja veekogude all) tunnelkollektorite, metroo-, raudtee- ja maanteetunnelite rajamisel.
Külmutite tüübid.
Tööpõhimõtte järgi jagunevad külmutid kolme põhirühma:
Gaaskompressorkülmuti töö põhineb sellel, et gaasi adiabaatilisel kokkusurumisel temperatuur tõuseb ja paisumisel langeb. Külmaaine on kogu töötsükli vältel gaasilises olekus. Harilikult kasutatakse siin külmainena õhku ja külmutit nimetatakse siis õhukompressorkülmutiks. Külmutusseade koosneb külmutuskambrist ja seal paiknevast soojusvahetist, kompressorist, jahutist ja detandrist. Detander on masin gaasi temperatuuri vähendamiseks gaasi paisutamise teel. Külmutuskambri soojusvahetist väljuva külmaaine kokkusurumisel kompressoris tõuseb tema temperatuur kõrgemale väliskeskkonna temperatuurist ja soojus kandub jahutist väliskeskkonda. Detandris külmaaine paisub ja jahtub. Külmutuskambri soojusvahetist tuleb soojus külmaainele. Kompressorit käitab mingi jõumasin, harilikult elektrimootor.
Aurukompressorkülmuti töö põhineb madala keemispunktiga (keemistäpiga) vedelike kasutamisel. Vedeliku aurustumisel neeldub soojus. Aurukompressor erineb gaasikompressorist selle poolest, et detenderit asendab paisventiil. Külmutuskambri soojusvahetist (aurustist) siseneb kompressorisse külmaaine vähese vedelikusisaldusega või kuiv küllastunud aur, mille temperatuur kokkusurumisel tõuseb. Jahutis (kondensaatoris) aur kondenseerub ning annab väliskeskkonnale ära oma ülekuumendus- ja aurustumissoojuse. Paisventiili läbimisel vedelik jahtub ja aurustub osaliselt. Lõplikult aurustub vedelik läbi aurusti pinna kanduva soojuse toimel. Külmaainena kasutatakse süsinikdioksiidi, ammoniaaki, freoone ja teisi aineid.
Joonistel 1. ja 2. on esitatud aurukompressorkülmuti erinevad lahendused. Õhkjahutusega kondensaator "1" (joonis 1) on kalorifeerikujuline ja annab soojuse välisõhku ventilaatori abil. Paisventiiliks on siin reguleeritav termoreguleerventiil "3". Aurusti "4" asub jahutatavas keskkonnas, näiteks külmkapis, külmkambris või jahutatavas vedelikus. Joonisel 2. esitatud külmuti skeem erineb esimesest selle poolest, et nii kondensaator "2", kui ka aurusti "5" on soojusvahetiga, jahutatakse vett ja kondensaatoris eraldunud soojus viiakse ära veega.
Adsorptsioonkülmuti erineb eelmistest selle poolest, et külmaainet ei pane liikuma kompressor, vaid soojusenergia. Töökehas osaleb peale külmaaine ka absorbent. Adsorptsioonpumba töötsükkel erineb kompressoriga külmuti omast selle poolest, et absorberis neelatakse aurustist tulev töökeha – aur – vedela absorbendi poolt. Seega toimub töökeha aurustumine aurustis, selle tulemusena on aurusti temperatuur madal ja ta võtab soojuse jahutatavast keskkonnast. Edasi läheb see külmaainega küllastatud vedelik soojendisse (seda köetakse mingi välise soojusenergiaga: elekter, gaas, vedelkütus jmt), kus suurema rõhu ja lisasoojusenergia toimel külmaaine aurustub lahusest, satub kondensaatorisse, kondenseerub ja annab selle tulemusel oma soojuse ära väliskeskkonda. Väikese külmaaine sisaldusega absorbent läheb läbi paisventiili jälle absorberisse. Külmaainena kasutatakse siin tavaliselt ammoniaaki. Adsorptsioonkülmutite efektiivsus jääb alati väiksemaks kompressorkülmutite omast. Samas saab sellist külmutit kasutada kohas, kus elekter puudub.
Auruejektorkülmutis täidab aurukompressori ülesannet ejektor – jugapump.
Termoelektrilise külmuti töö põhineb Peltier' efektil. Termoelektriline külmuti on moodustatud elektriahelast, mille põhiosa on kahe erineva pooljuhtmaterjali kokkupuutekoht (jootekoht). Elektrivoolu toimel puutekoha temperatuur langeb (voolusuuna muutmisel tõuseb) ja see võimaldab soojust üle kanda pooljuhtpaari külmemalt poolelt (külmkambrist) kuumemale poolele ja sealt soojust anda väliskeskkonda. Termoelektrilised külmutid sobivad arvutite ja sõiduautode külmkastide jahutamiseks. Termoelektriliste külmutite efektiivsus on väiksem, kui kompressorkülmutitel (Peltier' jahutus).
Külmutite ajalugu.
Esimesed külmutid valmisid 19. sajandi keskel – eetriga aurukompressorkülmuti 1834. aastal, õhukompressorkülmuti 1849. aastal, absorptsioonkülmuti 1860. Efektiivsemaid külmuteid hakati ehitama 1870. aastail, tuginedes C. von Linde töödele.
Külmuti automaatika.
Külmuti töö automatiseeritakse, et külmuti oleks võimeline töötama iseseisvalt inimese pideva järelevalveta ja töörežiimid oleksid optimaalsed. Külmutite automatiseerituse tase ja tehnilised vahendid võivad olla erinevad.
Temperatuuriregulaator.
Lihtsaim lahendus, mida alati kasutatakse on külmuti töö juhtimine jahutatava keskkonna temperatuuri järgi, näiteks külmkapis on temperatuuriregulaator (temperatuurirelee), mis lülitab kapi kompressori mootori välja, kui soovitud madal temperatuur on saavutatud uuesti sisse kui temperatuur tõuseb mingi diferentsi (reguleerimistemperatuuride vahemik) võrra. Sellist reguleerimist nimetatakse kahepositsiooniliseks reguleerimiseks (ON-OFF). Kahepositsioonilist regulaatorit nimetatakse ka releeks. Joonisel 2 on temperatuuriregulaator "4."
Temperatuurireleeks võib olla kapillaartoruga ühendatud lõõtsik, mis on täidetud kergestiaurustuva vedelikuga (propaan). Lõõtsik on ühendatud lülitiga, mille kontaktid on mootori elektriahelas jadamisi. Lõõtsiku juurde kuulub ka seadelüli, millega saab määrata soovitud reguleerimistemperatuuri. Temperatuuri langemisel auru maht lõõtsikus väheneb, see tõmbub kokku, lüliti kontaktid avanevad ja mootor seiskub. Temperatuuri tõustes kulgeb protsess vastupidi, mootor käivitatakse. Mõnikord nimetatakse temperatuurireleed termostaadiks, kuigi viimane tähendab konstantse temperatuuri hoidmiseks mõeldud kinnist ruumi koos kütte- ja/või jahutusseadmete ning temperatuuriregulaatoriga.
Täiuslikum automaatika muudab kompressosimootori kiirust sujuvalt, proportsionaalselt jahutatava keskkonna temperatuuriga (proportsionaalreguleerimine, st, mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on mootori kiirus). Mootori kiiruse sujuva reguleerimisega saavutatakse kompressori suurem efektiivsus, energia kokkuhoid. Mootori kiiruse muutmiseks tuleb kasutada sagedusmuundurit. Praktikas nimetatakse seda sageli inverteriks, mis ei ole aga täpne – inverter on vaheldi, sagedusmuunduri üks osa. Kompressori kiiruse sujuva reguleerimisega hoitakse energiat kokku seetõttu, et külmuti kompressor ei tööta kunagi kestvalt täisvõimsusega. Näiteks kui aurusti koormus on pool maksimaalsest, siis positsioonreguleerimisel mootor töötab pool aega (50%) koguajast, lülitudes vaheldumisi sisse-välja 50% tsükliga. Energiat kulub kaks korda vähem nimiolukorraga võrreldes. Sagedusmuunduriga juhtimisel mootor töötab poole kiirusega võrreldes nimikiirusega, kompressori rõhk väheneb 22 = 4 korda, pumba võimsus, seega ka tarbitud energia väheneb 23 = 8 korda. Nii et sujuval reguleerimisel kompressori mootori energiatarve väheneb selle näite puhul neli korda. Sagedusmuunduri tasuvusajast
Rõhuregulaator.
Kompressori töö kontrollimiseks kasutatakse rõhureleed (joonis 1 ja 2). Kompressori rõhureleel on maksimaalse ja minimaalse rõhu andur. Piiratakse kompressori survepoole maksimaalset rõhku ja imipoole minimaalset rõhku, kui survepoole rõhk ületab soovitud maksimaalväärtuse ja/või imipoole rõhk on alla soovitud minimaalväärtust, siis rõhurelee seiskab kompressori mootori, rõhkude normaliseerumisel mootor käivitatakse uuesti. Sagedusmuunduriga mootori juhtimisel saab seada mootori kiiruse sõltuvaks rõhust, nii et rõhud ei väljuks soovitud piiridest.
Termoreguleerventiil.
Aurusti töö optimeerimiseks kasutatakse termoreguleerventiili, see on mõeldud aurustisse siseneva külmaaine vooluhulga reguleerimiseks sõltuvalt aurustist väljuva külmaaine temperatuurist ja rõhust. Tööpõhimõttelt on see otsetoime temperatuuri­regulaator. Regulaator koosneb termo­balloonist "3", kapillaartorust "2" ja membraanist "1" (joonis 4). Süstee­mid võivad olla välise või seesmise tasakaalustuse­ga. Aurusti koormuse suurenemisel aurustumine intensiivistub, külmaaine temperatuur tõuseb, suureneb rõhk membraani peal, paisventiili "7" avatakse rohkem ja seega suureneb kulmaaine juurdevool. Kompressori seiskamisel ei imeta külmaainet aurustist enam ära, rõhk tõuseb ja ventiil "7" sulgub, seega tõkestatakse vedela külmaaine juurdevool aurustisse.