Kühlung - Refrigeration

Gewerbekälte

Der Begriff Kühlung bedeutet das Kühlen eines Raums, einer Substanz oder eines Systems, um seine Temperatur unter der Umgebungstemperatur zu senken und/oder zu halten (während die abgeführte Wärme bei einer höheren Temperatur abgegeben wird). Mit anderen Worten, Kühlung ist künstliche (von Menschen gemachte) Kühlung . Energie in Form von Wärme wird einem Niedertemperaturspeicher entnommen und in einen Hochtemperaturspeicher übertragen. Die Arbeit der Energieübertragung wird traditionell durch mechanische Mittel angetrieben , kann aber auch durch Wärme, Magnetismus , Elektrizität , Laser oder andere Mittel angetrieben werden . Refrigeration hat viele Anwendungen, einschließlich Haushaltskühlschränke , industrielle Gefriergeräte , Kryotechnik , und eine Klimaanlage . Wärmepumpen können die Wärmeabgabe des Kälteprozesses nutzen und können auch reversibel ausgelegt sein, sind aber ansonsten Klimaanlagen ähnlich.

Kälte hat einen großen Einfluss auf Industrie, Lebensstil, Landwirtschaft und Siedlungsmuster. Die Idee, Lebensmittel haltbar zu machen, geht mindestens auf das alte römische und chinesische Reich zurück. Die mechanische Kältetechnik hat sich im letzten Jahrhundert jedoch rasant weiterentwickelt, von der Eisernte bis hin zu temperaturgeführten Eisenbahnwaggons . Die Einführung von Kühlwaggons trug zur Westexpansion der Vereinigten Staaten bei und ermöglichte die Besiedlung von Gebieten, die nicht an Hauptverkehrswegen wie Flüssen, Häfen oder Talwegen lagen. Auch in unfruchtbaren Teilen des Landes entstanden Siedlungen, die mit neu entdeckten Bodenschätzen gefüllt waren.

Diese neuen Siedlungsmuster lösten den Bau von Großstädten aus, die in Gegenden gedeihen können, die sonst als unwirtlich galten, wie Houston , Texas und Las Vegas , Nevada. In den meisten Industrieländern sind Städte stark auf die Kühlung in Supermärkten angewiesen , um ihre Lebensmittel für den täglichen Bedarf zu beschaffen. Die Zunahme der Nahrungsquellen hat zu einer größeren Konzentration der landwirtschaftlichen Verkäufe von einem kleineren Prozentsatz der Betriebe geführt. Landwirtschaftliche Betriebe haben heute eine viel größere Produktion pro Person im Vergleich zu den späten 1800er Jahren. Dies hat zu neuen Nahrungsquellen geführt, die ganzen Bevölkerungen zur Verfügung stehen, was einen großen Einfluss auf die Ernährung der Gesellschaft hatte.

Geschichte

Früheste Formen der Kühlung

Das saisonale Ernten von Schnee und Eis ist eine uralte Praxis, die schätzungsweise vor 1000 v. Chr. begonnen hat. Eine chinesische Sammlung von Texten aus dieser Zeit, bekannt als Shijing , beschreibt religiöse Zeremonien zum Füllen und Leeren von Eiskellern. Über den Bau dieser Eiskeller oder den Zweck des Eises ist jedoch wenig bekannt. Die nächste alte Gesellschaft, die das Ernten von Eis aufzeichnete, waren möglicherweise die Juden im Buch der Sprüche, das lautet: „Wie die Kälte des Schnees zur Zeit der Ernte, so ist ein treuer Bote denen, die ihn gesandt haben.“ Historiker haben dies so interpretiert, dass die Juden Eis eher zum Kühlen von Getränken als zum Konservieren von Lebensmitteln verwendeten. Andere alte Kulturen wie die Griechen und die Römer gruben große Schneegruben, die mit Gras, Spreu oder Ästen von Bäumen als Kühllager isoliert waren. Wie die Juden nutzten auch Griechen und Römer Eis und Schnee nicht zur Konservierung von Lebensmitteln, sondern in erster Linie zum Kühlen von Getränken. Die Ägypter entwickelten auch Methoden zum Kühlen von Getränken, aber anstatt Eis zum Kühlen von Wasser zu verwenden, kühlten die Ägypter Wasser, indem sie kochendes Wasser in flache Tonkrüge füllten und nachts auf die Dächer ihrer Häuser stellten. Wind würde die Außenseite der Gläser befeuchten und die resultierende Verdunstung würde das Wasser abkühlen. Die alten Menschen in Indien verwendeten das gleiche Konzept, um Eis zu produzieren. Die Perser lagerten Eis in einer Grube namens Yakhchal und waren möglicherweise die erste Gruppe von Menschen, die Kühlräume zur Konservierung von Lebensmitteln nutzten. Im australischen Outback, bevor eine zuverlässige Stromversorgung vorhanden war, wo das Wetter heiß und trocken sein konnte, nutzten viele Farmer einen Coolgardie-Safe . Diese bestand aus einem Zimmer mit hessischen (Leinwand) Vorhängen von der Decke in Wasser getränkt hängen. Das Wasser würde verdunsten und dadurch die Stoffvorhänge und damit die im Raum zirkulierende Luft kühlen. Dies würde es ermöglichen, viele verderbliche Waren wie Obst, Butter und Wurstwaren aufzubewahren, die normalerweise in der Hitze verderben würden.

Eisernte

Eisernte in Massachusetts , 1852, im Hintergrund die Eisenbahnlinie , die zum Transport des Eises verwendet wurde.

Vor 1830 verwendeten nur wenige Amerikaner Eis, um Lebensmittel zu kühlen, da es an Eisspeichern und Kühlboxen mangelte. Als diese beiden Dinge weiter verbreitet wurden, benutzten Einzelpersonen Äxte und Sägen, um Eis für ihre Lagerhäuser zu ernten . Diese Methode erwies sich als schwierig, gefährlich und ähnelte sicherlich nichts, was im kommerziellen Maßstab dupliziert werden könnte.

Trotz der Schwierigkeiten, Eis zu ernten, dachte Frederic Tudor, dass er aus dieser neuen Ware Kapital schlagen könnte, indem er in Neuengland Eis erntete und es zu den karibischen Inseln sowie in die Südstaaten verschiffte. Am Anfang verlor Tudor Tausende von Dollar, machte aber schließlich einen Gewinn, als er Eishäuser in Charleston, Virginia, und in der kubanischen Hafenstadt Havanna baute. Diese Eishäuser sowie besser isolierte Schiffe trugen dazu bei, die Eisverschwendung von 66 % auf 8 % zu reduzieren. Dieser Effizienzgewinn veranlasste Tudor, seinen Eismarkt auf andere Städte mit Eishäusern wie New Orleans und Savannah auszudehnen. Dieser Eismarkt expandierte weiter, als die Eisernte schneller und billiger wurde, nachdem einer von Tudors Lieferanten, Nathaniel Wyeth, 1825 einen von Pferden gezogenen Eisschneider erfunden hatte. Diese Erfindung sowie der Erfolg von Tudor inspirierten andere dazu, sich mit dem Eishandel und dem Eis zu befassen Industrie wuchs.

Eis wurde in den frühen 1830er Jahren zu einem Massenmarktprodukt, wobei der Preis für Eis von sechs Cent pro Pfund auf einen halben Cent pro Pfund fiel. In New York City stieg der Eisverbrauch von 12.000 Tonnen im Jahr 1843 auf 100.000 Tonnen im Jahr 1856. Bostons Verbrauch stieg im selben Zeitraum von 6.000 Tonnen auf 85.000 Tonnen. Die Eisernte hat eine „Kühlkultur“ geschaffen, da die Mehrheit der Menschen Eis und Kühlboxen verwendet, um ihre Milchprodukte, Fisch, Fleisch und sogar Obst und Gemüse zu lagern. Diese frühen Praktiken der Kühllagerung ebneten vielen Amerikanern den Weg, die Kühltechnologie zu akzeptieren, die bald das Land erobern würde.

Kälteforschung

William Cullen , der als erster Experimente zur künstlichen Kühlung durchführte.

Die Geschichte der künstlichen Kühlung begann, als der schottische Professor William Cullen 1755 eine kleine Kältemaschine entwarf. Cullen verwendete eine Pumpe, um ein Teilvakuum über einem Behälter mit Diethylether zu erzeugen , der dann kochte und Wärme aus der Umgebungsluft aufnahm. Das Experiment erzeugte sogar eine kleine Menge Eis, hatte aber zu diesem Zeitpunkt keine praktische Anwendung.

1758 arbeiteten Benjamin Franklin und John Hadley , Professor für Chemie, an einem Projekt zur Untersuchung des Prinzips der Verdampfung als Mittel zur schnellen Kühlung eines Objekts an der Universität Cambridge , England . Sie bestätigten, dass die Verdunstung von leicht flüchtigen Flüssigkeiten wie Alkohol und Äther genutzt werden kann, um die Temperatur eines Objekts über den Gefrierpunkt von Wasser zu senken. Sie führten ihr Experiment mit der Glühbirne eines Quecksilberthermometers als Gegenstand und mit einem Blasebalg durch, der die Verdunstung beschleunigte; Sie senkten die Temperatur der Thermometerkugel auf -14 ° C (7 ° F), während die Umgebungstemperatur 18 ° C (65 ° F) betrug. Sie stellten fest , dass bald , nachdem sie den Gefrierpunkt von Wasser 0 bestanden ° C (32 ° F), ein Dünnfilm aus Eis auf der Oberfläche des Thermometers der Lampe ausgebildet ist und daß die Eismasse war etwa 6,4 mm ( 1 / 4  Zoll) dick, als sie das Experiment bei Erreichen von -14 ° C (7 ° F) beendeten. Franklin schrieb: "Aus diesem Experiment kann man die Möglichkeit erkennen, einen Mann an einem warmen Sommertag zu erfrieren". Im Jahr 1805 beschrieb der amerikanische Erfinder Oliver Evans einen geschlossenen Dampfkompressions-Kältekreislauf zur Herstellung von Eis durch Äther unter Vakuum.

Im Jahr 1820 verflüssigte der englische Wissenschaftler Michael Faraday Ammoniak und andere Gase unter Verwendung hoher Drücke und niedriger Temperaturen, und 1834 baute ein nach Großbritannien ausgewanderter Amerikaner, Jacob Perkins , das erste funktionierende Dampfkompressions-Kältesystem der Welt. Es war ein geschlossener Kreislauf, der kontinuierlich arbeiten konnte, wie er in seinem Patent beschrieb:

Ich bin befähigt, flüchtige Flüssigkeiten dazu zu verwenden, Flüssigkeiten zu kühlen oder zu gefrieren und gleichzeitig solche flüchtigen Flüssigkeiten ständig zu kondensieren und ohne Abfall wieder in Betrieb zu nehmen.

Sein Prototypsystem funktionierte, obwohl es kommerziell nicht erfolgreich war.

Im Jahr 1842 wurde ein ähnlicher Versuch vom amerikanischen Arzt John Gorrie unternommen , der einen funktionierenden Prototyp baute, aber es war ein kommerzieller Misserfolg. Wie viele medizinische Experten während dieser Zeit glaubte Gorrie, dass zu viel tropische Hitze zu geistiger und körperlicher Degeneration sowie zur Verbreitung von Krankheiten wie Malaria führt. Er hatte die Idee, sein Kühlsystem zu verwenden, um die Luft für Komfort in Häusern und Krankenhäusern zu kühlen, um Krankheiten vorzubeugen. Der amerikanische Ingenieur Alexander Twining erwarb 1850 ein britisches Patent für ein Dampfkompressionssystem, das Äther verwendet.

Die erste praktische Dampfkompressionskälteanlage wurde von James Harrison gebaut , einem britischen Journalisten, der nach Australien ausgewandert war . Sein Patent von 1856 war für ein Dampfkompressionssystem, das Äther, Alkohol oder Ammoniak verwendet. Er baute 1851 eine mechanische Eismaschine am Ufer des Barwon River in Rocky Point in Geelong , Victoria , und seine erste kommerzielle Eismaschine folgte 1854. Harrison führte auch kommerzielle Dampfkompressionskühlung in Brauereien und Fleischereien ein. Packhäuser, und 1861 waren ein Dutzend seiner Systeme in Betrieb. Später mischte er sich in die Debatte ein, wie man gegen den amerikanischen Vorteil des ungekühlten Rindfleischverkaufs an das Vereinigte Königreich konkurrieren könne . 1873 bereitete er das Segelschiff Norfolk für eine experimentelle Rindfleischverschiffung nach Großbritannien vor, die anstelle einer Kühlanlage ein Kühlraumsystem verwendete. Das Unterfangen war ein Fehlschlag, da das Eis schneller als erwartet verbraucht wurde.

Eisbereiter von Ferdinand Carré

Die erste Gasabsorptionskälteanlage mit in Wasser gelöstem, gasförmigem Ammoniak (sogenannter "Aqua-Ammoniak") wurde 1859 von Ferdinand Carré aus Frankreich entwickelt und 1860 patentiert. Carl von Linde , Ingenieur für Dampflokomotiven und Professor für Ingenieurwissenschaften an der die Technische Universität München in Deutschland begann in den 1860er und 1870er Jahren mit der Erforschung der Kältetechnik als Reaktion auf die Nachfrage von Brauern nach einer Technologie, die eine ganzjährige Massenproduktion von Lagerbier ermöglichen würde ; 1876 ​​ließ er sich ein verbessertes Verfahren zur Verflüssigung von Gasen patentieren. Sein neues Verfahren ermöglichte die Verwendung von Gasen wie Ammoniak , Schwefeldioxid (SO 2 ) und Methylchlorid (CH 3 Cl) als Kältemittel, die bis in die späten 1920er Jahre weit verbreitet waren .

Thaddeus Lowe , ein amerikanischer Ballonfahrer, hielt mehrere Patente auf Eismaschinen. Seine „Compression Ice Machine“ sollte die Kühlhausbranche revolutionieren. 1869 kauften andere Investoren und er ein altes Dampfschiff, auf das sie eine von Lowes Kühleinheiten luden und begannen, frisches Obst von New York an die Golfküste und frisches Fleisch von Galveston, Texas zurück nach New York zu verschiffen, aber wegen Lowes Mangel des Wissens über den Versand war das Geschäft ein kostspieliger Fehlschlag.

Kommerzielle Benutzung

Ein Kühlwagen-Design von 1870. Luken im Dach ermöglichten den Zugang zu den Tanks für die Lagerung des geernteten Eises an jedem Ende.
Icemaker-Patent von Andrew Muhl vom 12. Dezember 1871.

Im Jahr 1842 schuf John Gorrie ein System, das Wasser zur Eisproduktion kühlen kann. Obwohl es ein kommerzieller Misserfolg war, inspirierte es Wissenschaftler und Erfinder auf der ganzen Welt. Der Franzose Ferdinand Carre war einer der Inspirierten und er schuf ein Eisproduktionssystem, das einfacher und kleiner war als das von Gorrie. Während des Bürgerkriegs konnten Städte wie New Orleans über den Küsteneishandel kein Eis mehr aus Neuengland beziehen. Das Kühlsystem von Carre wurde die Lösung für die Eisprobleme von New Orleans und 1865 hatte die Stadt drei von Carres Maschinen. Im Jahr 1867 baute ein französischer Einwanderer namens Andrew Muhl in San Antonio, Texas, eine Eismaschine, um die expandierende Rindfleischindustrie zu bedienen, bevor er sie 1871 nach Waco verlegte. Im Jahr 1873 wurde das Patent für diese Maschine von Columbus Iron Works, ein von der WC Bradley Co. übernommenes Unternehmen, das die ersten kommerziellen Eisbereiter in den USA herstellte.

In den 1870er Jahren waren Brauereien die größten Abnehmer von geerntetem Eis. Obwohl die Eisernteindustrie bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts immens gewachsen war, hatten sich Verschmutzungen und Abwässer in das natürliche Eis eingeschlichen, was es in den Vororten der Metropolen zu einem Problem machte. Schließlich klagten Brauereien über verdorbenes Eis. Die öffentliche Besorgnis über die Reinheit des Wassers, aus dem Eis gebildet wurde, begann Anfang des 20. Jahrhunderts mit dem Aufkommen der Keimtheorie zu wachsen. Zahlreiche Medien veröffentlichten Artikel, die Krankheiten wie Typhus mit dem Konsum von Natureis in Verbindung brachten. Dies führte dazu, dass die Eisernte in bestimmten Gebieten des Landes illegal wurde. All diese Szenarien erhöhten die Anforderungen an moderne Kühlung und hergestelltes Eis. Eismaschinen wie die von Carre und Muhl wurden als Mittel zur Herstellung von Eis angesehen, um den Bedarf von Lebensmittelhändlern, Landwirten und Lebensmittelversendern zu decken.

In den 1840er Jahren wurden in den USA gekühlte Eisenbahnwaggons für den kurzfristigen Transport von Milchprodukten eingeführt, aber diese verwendeten geerntetes Eis, um eine kühle Temperatur aufrechtzuerhalten.

Dunedin , das erste kommerziell erfolgreiche Kühlschiff.

Die neue Kältetechnik zunächst mit breiten industriellen Einsatz als Mittel einzufrieren Fleischwaren für den Transport auf dem Seeweg in traf Kühlschiffe der britischen Dominions und anderen Ländern auf den britischen Inseln . Der erste Durchbruch gelang einem nach Neuseeland ausgewanderten Unternehmer . William Soltau Davidson dachte , dass Großbritanniens steigende Bevölkerung und Fleischnachfrage den Einbruch des Welt mildern könnten Wolle Märkte , die stark Neuseeland beeinflußte. Nach umfangreichen Recherchen ließ er die Dunedin 1881 mit einer Kompressionskältemaschine für den Fleischtransport umrüsten. Am 15. Februar 1882 segelte die Dunedin mit der ersten kommerziell erfolgreichen Kühlschifffahrt nach London und gründete die die gekühlte Fleischindustrie .

Die Times kommentierte: "Heute müssen wir einen solchen Triumph über körperliche Schwierigkeiten verbuchen, wie er noch vor wenigen Tagen unglaublich, sogar unvorstellbar gewesen wäre...". Die Marlborough – das Schwesterschiff der Dunedin – wurde sofort umgebaut und ging im folgenden Jahr zusammen mit dem rivalisierendenSchiffder New Zealand Shipping Company , Mataurua , in den Handel , während der deutsche Dampfer Marsala im Dezember 1882 anfing, gefrorenes neuseeländisches Lamm zu transportieren. Innerhalb von fünf Jahren 172 Sendungen gefrorenen Fleisches wurden von Neuseeland in das Vereinigte Königreich versandt, von denen nur 9 erhebliche Mengen an Fleisch verurteilten. Der Kühltransport führte auch in Australasien und Südamerikazu einem breiteren Boom bei Fleisch und Milchprodukten. J & E Hall aus Dartford , England, stattete die „SS Selembria“ 1886 mit einem Dampfkompressionssystem aus, um 30.000 Hammelfleischkadaver von den Falklandinseln zu transportieren. In denkommendenJahren expandierte die Branche schnell nach Australien, Argentinien und in die Vereinigten Staaten.

In den 1890er Jahren spielte die Kühlung eine entscheidende Rolle bei der Verteilung von Lebensmitteln. Die Fleischverpackungsindustrie verließ sich in den 1880er Jahren stark auf Natureis und verließ sich weiterhin auf hergestelltes Eis, als diese Technologien verfügbar wurden. Um 1900 hatten die Fleischverpackungshäuser von Chicago kommerzielle Kühlsysteme mit Ammoniakkreislauf eingeführt. Bis 1914 nutzte fast jeder Standort künstliche Kühlung. Die großen Fleischverpacker , Armour, Swift und Wilson, hatten die teuersten Einheiten gekauft, die sie in Eisenbahnwaggons und in Zweighäusern und Lagereinrichtungen in den abgelegeneren Vertriebsgebieten installierten.

Bis Mitte des 20. Jahrhunderts wurden Kühlaggregate für den Einbau in Lkw oder Lkw konzipiert. Kühlfahrzeuge werden zum Transport verderblicher Güter wie Tiefkühlkost, Obst und Gemüse sowie temperaturempfindlichen Chemikalien eingesetzt. Die meisten modernen Kühlschränke halten die Temperatur zwischen –40 und –20 °C und haben eine maximale Nutzlast von rund 24.000 kg Gesamtgewicht (in Europa).

Obwohl die gewerbliche Kühlung schnell Fortschritte machte, gab es Einschränkungen, die einen Einzug in den Haushalt verhinderten. Erstens waren die meisten Kühlschränke viel zu groß. Einige der 1910 eingesetzten Handelseinheiten wogen zwischen fünf und zweihundert Tonnen. Zweitens waren kommerzielle Kühlschränke teuer in Herstellung, Kauf und Wartung. Schließlich waren diese Kühlschränke unsicher. Es war nicht ungewöhnlich, dass kommerzielle Kühlschränke Feuer fingen, explodierten oder giftige Gase austraten. Erst mit der Bewältigung dieser drei Herausforderungen wurde die Kältetechnik zur Haustechnik.

Heim- und Verbrauchernutzung

Ein frühes Beispiel für die Consumerization der mechanischen Kältetechnik, die im frühen 20. Jahrhundert begann. Das Kältemittel war Schwefeldioxid .
Ein moderner Kühlschrank für zu Hause

In den frühen 1800er Jahren konservierten die Verbraucher ihre Lebensmittel, indem sie Lebensmittel und Eis, die von Eiserntemaschinen gekauft wurden, in Eisboxen lagerten. Im Jahr 1803 patentierte Thomas Moore eine mit Metall ausgekleidete Butteraufbewahrungswanne, die zum Prototyp für die meisten Eisboxen wurde. Diese Eisboxen wurden bis fast 1910 verwendet und die Technologie machte keine Fortschritte. Tatsächlich standen Verbraucher, die den Eisschrank 1910 benutzten, vor der gleichen Herausforderung eines schimmeligen und stinkenden Eisschranks wie die Verbraucher zu Beginn des 19. Jahrhunderts.

General Electric (GE) war eines der ersten Unternehmen, das diese Herausforderungen meisterte. 1911 brachte GE ein mit Gas betriebenes Haushaltskühlgerät auf den Markt. Die Verwendung von Gas machte einen elektrischen Kompressormotor überflüssig und verringerte die Größe des Kühlschranks. Stromunternehmen, die Kunden von GE waren, profitierten jedoch nicht von einer gasbetriebenen Einheit. Daher investierte GE in die Entwicklung eines Elektromodells. 1927 brachte GE den Monitor Top auf den Markt, den ersten Kühlschrank, der mit Strom betrieben wurde.

1930 synthetisierte Frigidaire, einer der Hauptkonkurrenten von GE, Freon . Mit der Erfindung synthetischer Kältemittel, die hauptsächlich auf einer Fluorchlorkohlenwasserstoff-Chemikalie (FCKW) basieren, wurden sicherere Kühlschränke für den Heim- und Verbrauchergebrauch möglich. Freon führte zur Entwicklung kleinerer, leichterer und billigerer Kühlschränke. Der Durchschnittspreis eines Kühlschranks sank mit der Synthese von Freon von 275 auf 154 US-Dollar. Dieser niedrigere Preis ermöglichte es amerikanischen Haushalten, den Besitz von Kühlschränken über 50 % zu überschreiten. Freon ist ein Warenzeichen der DuPont Corporation und bezieht sich auf diese FCKWs und später auf Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HCFC) und Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW), Kältemittel, die in den späten 1920er Jahren entwickelt wurden. Diese Kältemittel galten damals als weniger schädlich als die damals gebräuchlichen Kältemittel, darunter Methylformiat, Ammoniak, Methylchlorid und Schwefeldioxid. Die Absicht war, Kühlgeräte für den Heimgebrauch gefahrlos bereitzustellen. Diese FCKW-Kältemittel erfüllten diesen Bedarf. In den 1970er Jahren wurde jedoch festgestellt, dass die Verbindungen mit atmosphärischem Ozon reagieren, einem wichtigen Schutz vor ultravioletter Sonnenstrahlung, und ihre Verwendung als Kältemittel weltweit wurde im Montrealer Protokoll von 1987 eingeschränkt.

Auswirkungen auf Siedlungsmuster

Im letzten Jahrhundert ließ die Kühlung neue Siedlungsmuster entstehen. Diese neue Technologie hat es ermöglicht, neue Gebiete zu besiedeln, die nicht auf einem natürlichen Transportweg wie einem Fluss, einem Talweg oder einem Hafen liegen, die ansonsten möglicherweise nicht besiedelt worden wären. Die Kühlung hat den frühen Siedlern die Möglichkeit gegeben, nach Westen und in ländliche Gebiete zu expandieren, die unbewohnt waren. Diese neuen Siedler mit reichem und unerschlossenem Boden sahen die Möglichkeit, durch den Versand von Rohwaren in die östlichen Städte und Staaten zu profitieren. Im 20. Jahrhundert hat die Kühlung „Galaktische Städte“ wie Dallas, Phoenix und Los Angeles möglich gemacht.

Kühlwagen

Der Kühlwagen ( Kühlwagen oder Kühlwagen ) wurde zusammen mit dem dichten Eisenbahnnetz zu einem überaus wichtigen Bindeglied zwischen Markt und Hof, das eine überregionale und nicht nur eine regionale Chance ermöglichte. Vor der Erfindung des Kühlwagens war es unmöglich, verderbliche Lebensmittel über weite Strecken zu transportieren. Die Rindfleischverpackungsindustrie machte den ersten Nachfrageschub nach Kühlwagen. Die Eisenbahngesellschaften nahmen diese neue Erfindung aufgrund ihrer hohen Investitionen in Viehwaggons, Viehhöfe und Viehfutter nur langsam an. Kühlwagen waren auch im Vergleich zu anderen Eisenbahnwaggons komplex und teuer, was auch die Einführung des Kühltriebwagens verlangsamte. Nach der langsamen Einführung des Kühlwagens dominierte die Rindfleischverpackungsindustrie das Geschäft mit Kühlwaggons mit ihrer Fähigkeit, Eisanlagen zu kontrollieren und Vereisungsgebühren festzulegen. Das Landwirtschaftsministerium der Vereinigten Staaten schätzte, dass im Jahr 1916 über 69 Prozent der im Land getöteten Rinder in Pflanzen für den zwischenstaatlichen Handel getötet wurden. Dieselben Firmen, die auch im Fleischhandel tätig waren, führten später den Kühltransport mit Gemüse und Obst ein. Die Fleischverpackungsunternehmen verfügten über einen Großteil der teuren Maschinen wie Kühlwagen und Kühllager, die es ihnen ermöglichten, alle Arten verderblicher Waren effektiv zu verteilen. Während des Ersten Weltkriegs wurde von der US-Administration ein nationaler Kühlwagenpool eingerichtet, um das Problem leerlaufender Autos zu lösen, und wurde später nach dem Krieg weitergeführt. Das Problem mit leeren Autos war das Problem, dass Kühlautos sinnlos zwischen den saisonalen Ernten stehen. Dies führte dazu, dass sehr teure Autos einen guten Teil des Jahres auf den Bahnhöfen standen, ohne dass der Besitzer des Autos Einnahmen erzielte. Der Fuhrpark war ein System, bei dem Autos auf die Gebiete verteilt wurden, während die Pflanzen reiften, um eine maximale Nutzung der Autos zu gewährleisten. Kühlwagen fuhren von Weinbergen, Obstgärten, Feldern und Gärten in den westlichen Staaten nach Osten, um den amerikanischen Verbrauchermarkt im Osten zu befriedigen. Der Kühlwagen ermöglichte es, verderbliche Ernten Hunderte und sogar Tausende von Kilometern zu transportieren. Der auffälligste Effekt des Autos war eine regionale Spezialisierung auf Gemüse und Obst. Bis in die 1950er Jahre wurde der Kühltriebwagen häufig für den Transport verderblicher Güter eingesetzt. In den 1960er Jahren war das Interstate-Highway-System des Landes ausreichend vollständig, sodass Lastwagen den Großteil der verderblichen Lebensmittelladungen transportieren und das alte System der gekühlten Eisenbahnwaggons verdrängen konnten.

Expansion nach Westen und in den ländlichen Raum

Der weit verbreitete Einsatz von Kühlsystemen ermöglichte in den Vereinigten Staaten eine Vielzahl neuer landwirtschaftlicher Möglichkeiten. Überall in den Vereinigten Staaten entstanden neue Märkte in Gebieten, die zuvor unbewohnt und weit entfernt von dicht besiedelten Gebieten waren. Neue landwirtschaftliche Möglichkeiten boten sich in Gebieten, die als ländlich galten, wie Staaten im Süden und im Westen. Große Lieferungen aus dem Süden und Kalifornien wurden beide ungefähr zur gleichen Zeit durchgeführt, obwohl Natureis aus den kalifornischen Sierras anstelle von Kunsteis im Süden verwendet wurde. Die Kühlung ermöglichte es vielen Bereichen, sich auf den Anbau bestimmter Früchte zu spezialisieren. Kalifornien spezialisierte sich auf verschiedene Früchte, Trauben, Pfirsiche, Birnen, Pflaumen und Äpfel, während Georgia speziell für seine Pfirsiche berühmt wurde. In Kalifornien führte die Akzeptanz der Kühlwaggons zu einem Anstieg der Waggonladungen von 4.500 Waggonladungen im Jahr 1895 auf zwischen 8.000 und 10.000 Waggonladungen im Jahr 1905. Die Golfstaaten, Arkansas, Missouri und Tennessee stiegen in großem Stil in die Erdbeerproduktion ein, während Mississippi wurde zum Zentrum der Tomatenindustrie . New Mexico, Colorado, Arizona und Nevada bauten Melonen an. Ohne Kühlung wäre dies nicht möglich gewesen. 1917 spürten etablierte Obst- und Gemüseanbaugebiete in der Nähe der östlichen Märkte den Konkurrenzdruck dieser entfernten spezialisierten Zentren. Die Kühlung beschränkte sich nicht nur auf Fleisch, Obst und Gemüse, sondern umfasste auch Milchprodukte und Milchviehbetriebe. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts bezogen große Städte ihre Milchprodukte von Bauernhöfen bis zu einer Entfernung von 640 Kilometern (400 Meilen). Milchprodukte wurden aufgrund der höheren Verderblichkeit nicht so leicht über große Entfernungen transportiert, wie Obst und Gemüse. Die Kälteerzeugung ermöglichte die Produktion im Westen fernab der östlichen Märkte, und zwar so sehr, dass Milchbauern die Transportkosten bezahlen und ihre östlichen Konkurrenten dennoch unterbieten konnten. Die Kühlung und die gekühlte Bahn haben die Möglichkeit geschaffen, Gebiete mit fruchtbarem Boden fernab von natürlichen Transportwegen wie Flüssen, Talwegen oder Häfen zu erschließen.

Aufstieg der galaktischen Stadt

"Edge City" wurde von Joel Garreau geprägt , während der Begriff "galaktische Stadt" von Lewis Mumford geprägt wurde . Diese Begriffe beziehen sich auf eine Konzentration von Geschäfts-, Einkaufs- und Unterhaltungsmöglichkeiten außerhalb einer traditionellen Innenstadt oder eines zentralen Geschäftsviertels in einem ehemaligen Wohn- oder ländlichen Gebiet. Es gab mehrere Faktoren, die zum Wachstum dieser Städte wie Los Angeles, Las Vegas, Houston und Phoenix beigetragen haben. Zu den Faktoren, die zu diesen großen Städten beigetragen haben, gehören zuverlässige Autos, Autobahnsysteme, Kühlung und Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion. Große Städte wie die oben genannten waren in der Geschichte keine Seltenheit, aber was diese Städte von den anderen unterscheidet, ist, dass diese Städte nicht an einem natürlichen Transportweg oder an einer Kreuzung von zwei oder mehr Kanälen wie einem Weg, einem Hafen liegen , Berg, Fluss oder Tal. Diese Großstädte wurden in Gebieten entwickelt, die noch vor wenigen hundert Jahren unbewohnbar gewesen wären. Ohne eine kostengünstige Möglichkeit, Luft zu kühlen und Wasser und Lebensmittel über große Entfernungen zu transportieren, hätten sich diese Großstädte nie entwickelt. Das schnelle Wachstum dieser Städte wurde durch die Kühlung und eine Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität beeinflusst, wodurch entferntere Bauernhöfe die Bevölkerung effektiv ernähren konnten.

Auswirkungen auf Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion

Die Rolle der Landwirtschaft in den Industrieländern hat sich im letzten Jahrhundert aufgrund vieler Faktoren, einschließlich der Kühlung, drastisch verändert. Statistiken aus der Volkszählung von 2007 geben Aufschluss über die hohe Konzentration der landwirtschaftlichen Verkäufe, die heute von einem kleinen Teil der bestehenden Farmen in den Vereinigten Staaten stammen. Dies ist ein Teilergebnis des Marktes, der für den Gefrierfleischhandel durch die erste erfolgreiche Verschiffung von gefrorenen Schafschlachtkörpern aus Neuseeland in den 1880er Jahren geschaffen wurde. Als der Markt weiter wuchs, wurden Vorschriften zur Lebensmittelverarbeitung und -qualität durchgesetzt. Schließlich wurde Strom in ländlichen Haushalten in den Vereinigten Staaten eingeführt, was es ermöglichte, die Kältetechnik auf der Farm weiter auszubauen und die Leistung pro Person zu steigern. Heutzutage reduziert der Einsatz von Kühlung auf dem Bauernhof die Luftfeuchtigkeit, vermeidet Verderb durch Bakterienwachstum und trägt zur Konservierung bei.

Demografie

Die Einführung der Kältetechnik und die Entwicklung zusätzlicher Technologien haben die Landwirtschaft in den Vereinigten Staaten drastisch verändert. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Landwirtschaft für US-Bürger eine übliche Beschäftigung und Lebensweise, da die meisten Bauern tatsächlich auf ihrer Farm lebten. Im Jahr 1935 gab es in den Vereinigten Staaten 6,8 Millionen Farmen und eine Bevölkerung von 127 Millionen. Doch während die Bevölkerung in den Vereinigten Staaten weiter gestiegen ist, nimmt die Zahl der Bürger, die Landwirtschaft betreiben, weiter ab. Laut der US-Volkszählung von 2007 geben heute weniger als ein Prozent einer Bevölkerung von 310 Millionen Menschen die Landwirtschaft als Beruf an. Die wachsende Bevölkerung hat jedoch zu einer steigenden Nachfrage nach landwirtschaftlichen Produkten geführt, die durch eine größere Vielfalt an Nutzpflanzen, Düngemitteln, Pestiziden und verbesserter Technologie gedeckt wird. Verbesserte Technologie hat das Risiko und den Zeitaufwand für die landwirtschaftliche Bewirtschaftung verringert und ermöglicht es größeren landwirtschaftlichen Betrieben, ihre Produktion pro Person zu erhöhen, um die Nachfrage der Gesellschaft zu decken.

Fleischverpackung und Handel

Vor 1882 hatte die Südinsel Neuseelands mit der Aussaat von Gras und der Kreuzung von Schafen experimentiert, was ihren Bauern sofort wirtschaftliches Potenzial beim Export von Fleisch verschaffte. Im Jahr 1882 wurde die erste erfolgreiche Lieferung von Schafkadavern von Port Chalmers in Dunedin , Neuseeland, nach London geschickt . In den 1890er Jahren wurde der Handel mit gefrorenem Fleisch in Neuseeland immer profitabler, insbesondere in Canterbury , wo im Jahr 1900 50% der exportierten Schafschlachtkörper herkamen. Es dauerte nicht lange, bis Canterbury-Fleisch für höchste Qualität bekannt war und eine Nachfrage entstand für neuseeländisches Fleisch auf der ganzen Welt. Um dieser neuen Nachfrage gerecht zu werden, verbesserten die Bauern ihr Futter, sodass die Schafe in nur sieben Monaten zur Schlachtung bereit waren. Diese neue Versandart führte Mitte der 1890er Jahre zu einem wirtschaftlichen Aufschwung in Neuseeland.

In den Vereinigten Staaten wurde der Meat Inspection Act von 1891 in den Vereinigten Staaten eingeführt, weil lokale Metzger der Meinung waren, dass das gekühlte Triebwagensystem ungesund war. Als sich die Fleischverpackungen durchsetzten, wurden die Verbraucher wegen der Qualität des Fleisches für den Verzehr nervös. Upton Sinclairs Roman The Jungle aus dem Jahr 1906 erregte negative Aufmerksamkeit auf die Fleischverpackungsindustrie, indem er unhygienische Arbeitsbedingungen und die Verarbeitung kranker Tiere ans Licht brachte. Das Buch erregte die Aufmerksamkeit von Präsident Theodore Roosevelt , und das Fleischinspektionsgesetz von 1906 wurde als Ergänzung zum Fleischinspektionsgesetz von 1891 in Kraft gesetzt. Dieses neue Gesetz konzentrierte sich auf die Qualität des Fleisches und die Umgebung, in der es verarbeitet wird.

Strom im ländlichen Raum

In den frühen 1930er Jahren verfügten 90 Prozent der städtischen Bevölkerung der Vereinigten Staaten über Strom , im Vergleich zu nur 10 Prozent der ländlichen Haushalte. Zu dieser Zeit waren die Energieversorger nicht der Meinung, dass die Ausweitung des Stroms auf ländliche Gebiete ( ländliche Elektrifizierung ) genug Gewinn bringen würde, um sich zu lohnen. Mitten in der Weltwirtschaftskrise erkannte Präsident Franklin D. Roosevelt jedoch, dass ländliche Gebiete sowohl in Armut als auch in der Produktion hinter den städtischen Gebieten zurückbleiben würden, wenn sie nicht elektrisch verkabelt wären. Am 11. Mai 1935 unterzeichnete der Präsident eine Verordnung namens Rural Electrification Administration, auch bekannt als REA. Die Agentur stellte Darlehen zur Finanzierung der elektrischen Infrastruktur in den ländlichen Gebieten bereit. In nur wenigen Jahren erhielten 300.000 Menschen in ländlichen Gebieten der USA Strom in ihren Häusern.

Elektrizität verbesserte zwar die Arbeitsbedingungen in landwirtschaftlichen Betrieben dramatisch, hatte aber auch einen großen Einfluss auf die Sicherheit der Lebensmittelproduktion. Kühlsysteme wurden in die Landwirtschafts- und Lebensmittelverteilungsprozesse eingeführt , die bei der Lebensmittelkonservierung halfen und die Lebensmittelversorgung sicher hielten . Die Kühlung ermöglichte auch die Produktion verderblicher Waren, die dann in die gesamten Vereinigten Staaten verschifft werden konnten. Infolgedessen wurden die Landwirte der Vereinigten Staaten schnell zu den produktivsten der Welt, und es entstanden ganz neue Ernährungssysteme .

Nutzung auf dem Bauernhof

Um die Feuchtigkeit und den Verderb durch Bakterienwachstum zu reduzieren, wird heute in der Landwirtschaft für die Verarbeitung von Fleisch, Produkten und Milchprodukten Kühlung verwendet. Kühlsysteme werden in den wärmeren Monaten am stärksten für landwirtschaftliche Produkte eingesetzt, die so schnell wie möglich gekühlt werden müssen, um Qualitätsstandards zu erfüllen und die Haltbarkeit zu erhöhen. Milchviehbetriebe kühlen Milch das ganze Jahr über, um Verderb zu vermeiden.

Auswirkungen auf Lebensstil und Ernährung

Im späten 19. Jahrhundert und bis ins frühe 20. Jahrhundert, mit Ausnahme von Grundnahrungsmitteln (Zucker, Reis und Bohnen), die keine Kühlung benötigten, wurden die verfügbaren Lebensmittel stark von den Jahreszeiten und dem, was lokal angebaut werden konnte, beeinflusst. Die Kühlung hat diese Einschränkungen beseitigt. Die Kühlung spielte eine große Rolle bei der Machbarkeit und dann der Popularität des modernen Supermarkts. Obst und Gemüse außerhalb der Saison oder an weit entfernten Standorten angebaut sind jetzt zu relativ niedrigen Preisen erhältlich. Kühlschränke haben zu einem enormen Anstieg des Anteils von Fleisch- und Milchprodukten am gesamten Supermarktumsatz geführt. Neben der Veränderung der auf dem Markt gekauften Waren hat die Möglichkeit, diese Lebensmittel über einen längeren Zeitraum zu lagern, zu einer Zunahme der Freizeit geführt. Vor dem Aufkommen des Haushaltskühlschranks mussten die Menschen täglich für die Vorräte einkaufen, die sie für ihre Mahlzeiten benötigen.

Auswirkungen auf die Ernährung

Die Einführung der Kühlung ermöglichte die hygienische Handhabung und Lagerung verderblicher Waren und förderte somit das Produktionswachstum, den Verbrauch und die Verfügbarkeit von Nahrung. Die Änderung unserer Methode zur Konservierung von Lebensmitteln hat uns weg von Salzen hin zu einem überschaubareren Natriumspiegel gebracht. Die Möglichkeit, verderbliche Waren wie Fleisch und Milchprodukte zu transportieren und zu lagern, führte in den USA nach den 1890er Jahren zu einem Anstieg des Milchkonsums um 1,7% und der Gesamtproteinaufnahme um 1,25% pro Jahr.

Die Menschen konsumierten diese verderblichen Waren nicht nur, weil es für sie einfacher wurde, sie selbst zu lagern, sondern weil die Innovationen im Kühltransport und der Lagerung zu weniger Verderb und Abfall führten und damit die Preise dieser Produkte nach unten trieben. Die Kühlung macht mindestens 5,1 % der Zunahme der erwachsenen Statur (in den USA) durch verbesserte Ernährung aus, und wenn die indirekten Effekte, die mit der Verbesserung der Nährstoffqualität und der Reduzierung von Krankheiten verbunden sind, zusätzlich berücksichtigt werden, wird die Gesamtwirkung erheblich größer. Neuere Studien haben auch einen negativen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Kühlschränke in einem Haushalt und der Sterblichkeitsrate bei Magenkrebs gezeigt.

Aktuelle Anwendungen der Kältetechnik

Die derzeit wohl am weitesten verbreiteten Anwendungen der Kältetechnik sind die Klimatisierung von Privathäusern und öffentlichen Gebäuden sowie die Kühlung von Lebensmitteln in Wohnungen, Restaurants und großen Lagerhallen. Der Einsatz von Kühlschränken und begehbaren Kühl- und Gefrierschränken in Küchen, Fabriken und Lagerhäusern zur Lagerung und Verarbeitung von Obst und Gemüse hat es ermöglicht, das ganze Jahr über frische Salate in die moderne Ernährung aufzunehmen und Fisch und Fleisch über lange Zeiträume sicher zu lagern. Der optimale Temperaturbereich für die Lagerung verderblicher Lebensmittel liegt bei 3 bis 5 °C (37 bis 41 °F).

Im Handel und in der Produktion gibt es viele Anwendungen für die Kühlung. Kälte wird verwendet, um Gase zu verflüssigen – zum Beispiel Sauerstoff , Stickstoff , Propan und Methan . Bei der Druckluftreinigung wird es verwendet, um Wasserdampf aus Druckluft zu kondensieren , um deren Feuchtigkeitsgehalt zu reduzieren. In Ölraffinerien , Chemieanlagen und petrochemischen Anlagen wird Kälte verwendet, um bestimmte Prozesse auf den erforderlichen niedrigen Temperaturen zu halten (z. B. bei der Alkylierung von Butenen und Butan , um eine Benzinkomponente mit hoher Oktanzahl herzustellen ). Metallarbeiter verwenden Kälte, um Stahl und Besteck zu härten. Beim Transport von temperaturempfindlichen Lebensmitteln und anderen Materialien per Lkw, Bahn, Flugzeug und Seeschiff ist Kühlung unabdingbar.

Milchprodukte müssen ständig gekühlt werden, und es wurde erst in den letzten Jahrzehnten entdeckt, dass Eier während des Versands gekühlt werden müssen, anstatt darauf zu warten, dass sie nach der Ankunft im Lebensmittelgeschäft gekühlt werden. Fleisch, Geflügel und Fisch müssen vor dem Verkauf in klimatisierten Umgebungen aufbewahrt werden. Kühlen hilft auch, Obst und Gemüse länger essbar zu halten.

Eine der einflussreichsten Anwendungen der Kühlung war die Entwicklung der Sushi- / Sashimi- Industrie in Japan. Vor der Entdeckung der Kühlung waren viele Sushi-Kenner krankheitsgefährdet. Die Gefahren von ungekühltem Sashimi wurden aufgrund des Mangels an Forschung und Gesundheitsversorgung im ländlichen Japan jahrzehntelang nicht ans Licht gebracht. Um die Mitte des Jahrhunderts erzielte das in Kyoto ansässige Unternehmen Zojirushi Durchbrüche im Kühlschrankdesign, das Kühlschränke billiger und für Restaurantbesitzer und die breite Öffentlichkeit zugänglicher machte.

Kühlmethoden

Kühlmethoden können in nichtzyklisch , zyklisch , thermoelektrisch und magnetisch eingeteilt werden .

Nicht-zyklische Kühlung

Diese Kühlmethode kühlt einen umschlossenen Bereich durch Schmelzen von Eis oder durch Sublimieren von Trockeneis . Das vielleicht einfachste Beispiel dafür ist eine tragbare Kühlbox, in die Gegenstände hineingelegt und dann Eis darüber gegossen wird. Normales Eis kann Temperaturen nahe, aber nicht unter dem Gefrierpunkt halten, es sei denn, Salz wird verwendet, um das Eis weiter abzukühlen (wie in einer traditionellen Eismaschine ). Trockeneis kann die Temperatur zuverlässig weit unter den Gefrierpunkt von Wasser bringen.

Zyklische Kühlung

Dieser besteht aus einem Kältekreislauf, bei dem Wärme einem Niedertemperaturraum oder einer Quelle entzogen und mit Hilfe externer Arbeit an eine Hochtemperatursenke abgegeben wird, und seinem Umkehrpunkt, dem thermodynamischen Energiekreislauf . Im Energiezyklus wird dem Motor Wärme von einer Hochtemperaturquelle zugeführt, wobei ein Teil der Wärme zur Arbeitsleistung verwendet wird und der Rest an eine Niedertemperatursenke abgegeben wird. Dies erfüllt den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik .

Ein Kältekreislauf beschreibt die Veränderungen, die im Kältemittel stattfinden, wenn es abwechselnd Wärme aufnimmt und abgibt, während es durch einen Kühlschrank zirkuliert . Es wird auch auf Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen- HVACR- Arbeiten angewendet , wenn der "Prozess" des Kältemittelflusses durch eine HVACR-Einheit beschrieben wird, unabhängig davon, ob es sich um ein verpacktes oder geteiltes System handelt.

Wärme fließt natürlich von heiß nach kalt. Arbeit wird aufgebracht, um einen Wohnraum oder ein Speichervolumen zu kühlen, indem Wärme von einer Wärmequelle niedrigerer Temperatur in eine Wärmesenke höherer Temperatur gepumpt wird. Die Isolierung wird verwendet, um den Arbeits- und Energieaufwand zu reduzieren, der erforderlich ist, um eine niedrigere Temperatur im gekühlten Raum zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Das Funktionsprinzip des Kältekreislaufs wurde 1824 von Sadi Carnot mathematisch als Wärmekraftmaschine beschrieben .

Die gängigsten Arten von Kühlsystemen verwenden den Umkehr-Rankine- Dampfkompressions-Kältekreislauf , obwohl Absorptionswärmepumpen in einer Minderheit von Anwendungen verwendet werden.

Die zyklische Kühlung kann wie folgt klassifiziert werden:

  1. Dampfzyklus und
  2. Gaskreislauf

Die Dampfkreislaufkühlung kann weiter klassifiziert werden als:

  1. Dampfkompressionskühlung
  2. Sorptionskälte
    1. Dampfabsorptionskälte
    2. Adsorptionskälte

Dampfkompressionszyklus

Abbildung 1: Dampfkompressionskühlung
Abbildung 2: Temperatur-Entropie-Diagramm

Der Dampfkompressionszyklus wird in den meisten Haushaltskühlschränken sowie in vielen großen gewerblichen und industriellen Kühlsystemen verwendet. Abbildung 1 zeigt ein schematisches Diagramm der Komponenten eines typischen Dampfkompressions-Kältesystems.

Die Thermodynamik des Kreislaufs kann in einem Diagramm wie in Abbildung 2 dargestellt analysiert werden. In diesem Kreislauf tritt ein zirkulierendes Kältemittel wie Freon als Dampf in den Kompressor ein. Von Punkt 1 bis Punkt 2 wird der Dampf mit konstanter Entropie verdichtet und verlässt den Kompressor als Dampf mit einer höheren Temperatur, jedoch noch unter dem Dampfdruck bei dieser Temperatur. Von Punkt 2 zu Punkt 3 und weiter zu Punkt 4 strömt der Dampf durch den Kondensator, der den Dampf abkühlt, bis er zu kondensieren beginnt, und dann den Dampf durch Abführen zusätzlicher Wärme bei konstantem Druck und konstanter Temperatur zu einer Flüssigkeit kondensiert. Zwischen den Punkten 4 und 5 durchläuft das flüssige Kältemittel das Expansionsventil (auch Drosselventil genannt), wo sein Druck abrupt abfällt, was eine Entspannungsverdampfung und eine automatische Kühlung von typischerweise weniger als der Hälfte der Flüssigkeit verursacht.

Dies führt zu einem Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf mit niedrigerer Temperatur und niedrigerem Druck, wie in Punkt 5 gezeigt. Das kalte Flüssigkeits-Dampf-Gemisch strömt dann durch die Verdampferschlange oder -rohre und wird durch Abkühlen der warmen Luft (aus dem gekühlten Raum) vollständig verdampft ) wird von einem Ventilator über die Verdampferschlange oder -rohre geblasen. Der resultierende Kältemitteldampf kehrt an Punkt 1 zum Verdichtereinlass zurück, um den thermodynamischen Zyklus abzuschließen.

Die obige Diskussion basiert auf dem idealen Dampfkompressions-Kältekreislauf und berücksichtigt nicht reale Effekte wie Reibungsdruckabfall im System, leichte thermodynamische Irreversibilität während der Kompression des Kältemitteldampfes oder nicht ideales Gasverhalten. wenn überhaupt. Brüdenkompressionskältemaschinen können in Kaskadenkälteanlagen zweistufig angeordnet werden, wobei die zweite Stufe den Kondensator der ersten Stufe kühlt. Damit können sehr tiefe Temperaturen erreicht werden.

Weitere Informationen über das Design und die Leistung von Dampfkompressions-Kältesystemen finden Sie im klassischen Perry's Chemical Engineers' Handbook .

Sorptionszyklus

Absorptionszyklus

In den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts war der Dampfabsorptionskreislauf unter Verwendung von Wasser-Ammoniak-Systemen oder LiBr- Wasser populär und weit verbreitet. Nach der Entwicklung des Dampfkompressionszyklus verlor der Dampfabsorptionszyklus aufgrund seines niedrigen Leistungskoeffizienten (etwa ein Fünftel des Dampfkompressionszyklus) stark an Bedeutung. Heutzutage wird der Dampfabsorptionszyklus hauptsächlich dort verwendet, wo Brennstoff zum Heizen verfügbar ist, aber kein Strom, wie z. B. in Freizeitfahrzeugen , die Flüssiggas führen . Es wird auch in industriellen Umgebungen verwendet, wo reichlich Abwärme seine Ineffizienz überwindet.

Der Absorptionszyklus ist dem Kompressionszyklus ähnlich, mit Ausnahme der Methode, den Druck des Kältemitteldampfs zu erhöhen. Im Absorptionssystem wird der Kompressor durch einen Absorber ersetzt, der das Kältemittel in einer geeigneten Flüssigkeit auflöst, eine Flüssigkeitspumpe, die den Druck erhöht, und einen Generator, der bei Wärmezufuhr den Kältemitteldampf aus der Hochdruckflüssigkeit austreibt. Die Flüssigkeitspumpe benötigt etwas Arbeit, ist jedoch bei einer gegebenen Kältemittelmenge viel geringer als vom Kompressor im Dampfkompressionszyklus benötigt. In einer Absorptionskältemaschine wird eine geeignete Kombination aus Kältemittel und Absorptionsmittel verwendet. Die gängigsten Kombinationen sind Ammoniak (Kältemittel) mit Wasser (Absorptionsmittel) und Wasser (Kältemittel) mit Lithiumbromid (Absorptionsmittel).

Adsorptionszyklus

Der Hauptunterschied zum Absorptionszyklus besteht darin, dass das Kältemittel (Adsorbat) im Adsorptionszyklus Ammoniak, Wasser, Methanol usw. sein kann, während das Adsorptionsmittel ein Feststoff wie Silikongel , Aktivkohle oder Zeolith ist , im Gegensatz zum Absorptionszyklus, bei dem das Absorptionsmittel flüssig ist.

Der Grund, warum die Adsorptionskältetechnik in den letzten 30 Jahren intensiv erforscht wurde, liegt darin, dass der Betrieb einer Adsorptionskälteanlage oft geräuschlos, nicht korrosiv und umweltfreundlich ist.

Gaskreislauf

Wenn das Arbeitsmedium ein Gas ist, das komprimiert und expandiert wird, aber die Phase nicht ändert, wird der Kältekreislauf als Gaskreislauf bezeichnet . Luft ist meistens dieses Arbeitsfluid. Da in einem Gaskreislauf keine Kondensation und Verdampfung vorgesehen ist, sind die dem Kondensator und dem Verdampfer in einem Dampfkompressionskreislauf entsprechenden Komponenten die heißen und kalten Gas-zu-Gas- Wärmetauscher in Gaskreisläufen. Beispielsweise kühlt ein luftgekühlter Gaskühler CO2-Kältegas mit Luft in einem geschlossenen System.

Der Gaszyklus ist weniger effizient als der Dampfkompressionszyklus, da der Gaszyklus nach dem umgekehrten Brayton-Zyklus anstelle des umgekehrten Rankine-Zyklus arbeitet . Als solches nimmt das Arbeitsfluid bei konstanter Temperatur keine Wärme auf und gibt sie nicht ab. Im Gaskreislauf ist die Kühlwirkung gleich dem Produkt aus der spezifischen Wärme des Gases und dem Temperaturanstieg des Gases auf der Niedertemperaturseite. Daher benötigt ein Gaskühlkreislauf für die gleiche Kühllast einen großen Massendurchsatz und ist voluminös.

Aufgrund ihres geringeren Wirkungsgrades und ihres größeren Volumens werden Luftkreislaufkühler heutzutage nicht oft in terrestrischen Kühlgeräten verwendet. Jedoch kann die Luftkreislaufmaschine ist auf sehr häufig Gasturbine -gestützte Strahlflugzeugen als Kühl- und Lüftungsgeräte, da Druckluft von den Engines Verdichterabschnitten leicht verfügbar ist. Solche Einheiten dienen auch dazu, das Flugzeug unter Druck zu setzen.

Thermoelektrische Kühlung

Thermoelektrische Kühl Verwendungen des Peltier - Effekt eine Wärme erzeugen Fluss zwischen dem Übergang von zwei Arten von Material. Dieser Effekt wird häufig in Camping- und tragbaren Kühlboxen sowie zum Kühlen von elektronischen Komponenten und kleinen Instrumenten verwendet. Peltier-Kühler werden oft dort verwendet, wo ein herkömmlicher Kühlschrank mit Dampfkompressionszyklus unpraktisch wäre oder zu viel Platz beanspruchen würde, und in gekühlten Bildsensoren als einfache, kompakte und leichte, wenn auch ineffiziente Möglichkeit, sehr niedrige Temperaturen mit 2 oder mehr zu erreichen stufige Peltierkühler, die in Kaskadenkühlung angeordnet sind, d.h. 2 oder mehr Peltierelemente werden übereinander gestapelt, wobei jede Stufe größer ist als die vorherige, um mehr Wärme und Abwärme der vorherigen Stufen abzuführen . Peltier-Kühlung hat im Vergleich zum Dampfkompressionszyklus einen niedrigen COP (Effizienz), sodass mehr Abwärme (durch das Peltier-Element oder den Kühlmechanismus erzeugte Wärme) abgegeben und bei einer gegebenen Kühlleistung mehr Strom verbraucht wird.

Magnetische Kühlung

Magnetische Kühlung oder adiabatische Entmagnetisierung ist eine Kühltechnologie, die auf dem magnetokalorischen Effekt basiert, einer intrinsischen Eigenschaft magnetischer Festkörper. Das Kältemittel ist oft ein paramagnetisches Salz wie Cer- Magnesium- Nitrat . Die aktiven magnetischen Dipole sind dabei die der Elektronenschalen der paramagnetischen Atome.

An das Kältemittel wird ein starkes Magnetfeld angelegt, das seine verschiedenen magnetischen Dipole zur Ausrichtung zwingt und diese Freiheitsgrade des Kältemittels in einen Zustand verringerter Entropie versetzt . Ein Kühlkörper nimmt dann die vom Kältemittel aufgrund seines Entropieverlustes freigesetzte Wärme auf. Anschließend wird der thermische Kontakt zum Kühlkörper unterbrochen, so dass das System isoliert und das Magnetfeld abgeschaltet wird. Dadurch wird die Wärmekapazität des Kältemittels erhöht und damit seine Temperatur unter die Temperatur des Kühlkörpers gesenkt.

Da nur wenige Materialien bei Raumtemperatur die erforderlichen Eigenschaften aufweisen, waren Anwendungen bisher auf die Kryotechnik und Forschung beschränkt.

Andere Methoden

Andere Kühlverfahren umfassen die Luftkreislaufmaschine, die in Flugzeugen verwendet wird; das Wirbelrohr, das zur Punktkühlung verwendet wird, wenn Druckluft verfügbar ist; und thermoakustische Kühlung unter Verwendung von Schallwellen in einem Druckgas, um die Wärmeübertragung und den Wärmeaustausch zu fördern; Dampfstrahlkühlung, populär in den frühen 1930er Jahren zur Klimatisierung großer Gebäude; thermoelastische Kühlung mit einer intelligenten Metalllegierung, die sich dehnt und entspannt. Viele Stirling- Wärmekraftmaschinen können rückwärts betrieben werden, um als Kühlschrank zu fungieren, und daher finden diese Motoren eine Nische in der Kryotechnik . Daneben gibt es noch andere Arten von Kryokühlern wie Gifford-McMahon-Kühler, Joule-Thomson-Kühler, Pulsrohr- Kühler und für Temperaturen zwischen 2 mK und 500 mK Verdünnungs -Kühler .

Elastokalorische Kühlung

Eine weitere potenzielle Festkörperkältetechnik und ein relativ neues Forschungsgebiet ergibt sich aus einer besonderen Eigenschaft superelastischer Materialien. Diese Materialien unterliegen einer Temperaturänderung, wenn sie einer aufgebrachten mechanischen Belastung ausgesetzt sind (sogenannter elastokalorischer Effekt). Da sich superelastische Materialien bei hohen Dehnungen reversibel verformen , erfährt das Material einen abgeflachten elastischen Bereich in seiner Spannungs-Dehnungs-Kurve, verursacht durch eine resultierende Phasenumwandlung von einer austenitischen in eine martensitische Kristallphase.

Wenn ein superelastischer Werkstoff in der austenitischen Phase eine Spannung erfährt, durchläuft er eine exotherme Phasenumwandlung in die martensitische Phase, wodurch sich der Werkstoff erwärmt. Das Entfernen der Spannung kehrt den Prozess um, bringt das Material in seine austenitische Phase zurück und nimmt Wärme aus der Umgebung auf, die das Material abkühlt.

Der interessanteste Teil dieser Forschung ist, wie potenziell energieeffizient und umweltfreundlich diese Kühltechnologie ist. Die verschiedenen verwendeten Materialien, üblicherweise Formgedächtnislegierungen , bieten eine ungiftige Quelle für emissionsfreie Kühlung. Die am häufigsten untersuchten Materialien sind Formgedächtnislegierungen wie Nitinol und Cu-Zn-Al. Nitinol ist eine der vielversprechenderen Legierungen mit einer Ausgangswärme von etwa 66 J/cm 3 und einer Temperaturänderung von etwa 16–20 K. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Herstellung einiger der Formgedächtnislegierungen wurden alternative Materialien wie Naturkautschuk untersucht. Auch wenn Gummi möglicherweise nicht so viel Wärme pro Volumen (12 J/cm 3 ) wie Formgedächtnislegierungen abgibt , erzeugt es dennoch eine vergleichbare Temperaturänderung von etwa 12 K und arbeitet in einem geeigneten Temperaturbereich, geringen Spannungen und niedrigen Kosten .

Die größte Herausforderung besteht jedoch in möglichen Energieverlusten in Form von Hysterese , die oft mit diesem Prozess verbunden sind. Da die meisten dieser Verluste auf Inkompatibilitäten zwischen den beiden Phasen zurückzuführen sind, ist eine geeignete Legierungsabstimmung erforderlich, um die Verluste zu reduzieren und die Reversibilität und Effizienz zu erhöhen . Das Ausgleichen der Umwandlungsspannung des Materials mit den Energieverlusten ermöglicht das Auftreten eines großen elastokalorischen Effekts und möglicherweise eine neue Alternative für die Kühlung.

Kühlschranktor

Die Fridge Gate-Methode ist eine theoretische Anwendung, bei der ein einzelnes Logikgatter verwendet wird, um einen Kühlschrank so energieeffizient wie möglich zu betreiben, ohne die Gesetze der Thermodynamik zu verletzen. Es basiert auf der Tatsache, dass es zwei Energiezustände gibt, in denen ein Teilchen existieren kann: den Grundzustand und den angeregten Zustand. Der angeregte Zustand trägt etwas mehr Energie als der Grundzustand, klein genug, damit der Übergang mit hoher Wahrscheinlichkeit auftritt. Es gibt drei Komponenten oder Partikeltypen, die mit dem Kühlschranktor verbunden sind. Der erste befindet sich im Inneren des Kühlschranks, der zweite außen und der dritte ist an eine Stromversorgung angeschlossen, die sich von Zeit zu Zeit aufheizt, um den E-Zustand zu erreichen und die Quelle aufzufüllen. Im Kühlschritt im Inneren des Kühlschranks absorbiert das Partikel im g-Zustand Energie von Umgebungspartikeln, kühlt sie ab und springt selbst in den e-Zustand. Im zweiten Schritt, an der Außenseite des Kühlschranks, wo sich die Partikel ebenfalls im e-Zustand befinden, fällt das Partikel in den g-Zustand, wodurch Energie freigesetzt wird und die äußeren Partikel erhitzt werden. Im dritten und letzten Schritt bewegt die Stromversorgung ein Teilchen in den e-Zustand, und wenn es in den g-Zustand fällt, induziert es einen energieneutralen Austausch, bei dem das innere e-Teilchen durch ein neues g-Teilchen ersetzt wird, wodurch der Zyklus neu gestartet wird.

Passive Systeme

MIT-Forscher haben eine neue Art der Kühlung an einem heißen, sonnigen Tag entwickelt, die kostengünstige Materialien verwendet und keinen Strom aus fossilen Brennstoffen benötigt. Das passive System, das andere Kühlsysteme zur Konservierung von Lebensmitteln und Medikamenten an heißen, netzfernen Orten ergänzen könnte, ist im Wesentlichen eine High-Tech-Version eines Sonnenschirms.

Kapazitätsbewertungen

Die Kälteleistung eines Kühlsystems ist das Produkt der VerdampferEnthalpie Aufstieg und den Verdampfern‘ Massendurchflussrate . Die gemessene Kälteleistung wird oft in der Einheit kW oder BTU/h bemessen. Haushalts- und Gewerbekühlschränke können in kJ/s oder Btu/h Kühlleistung angegeben werden. Bei gewerblichen und industriellen Kälteanlagen ist Kilowatt (kW) die Grundeinheit der Kälteerzeugung, außer in Nordamerika, wo sowohl Tonne Kälte als auch BTU/h verwendet werden.

Die Leistungszahl (CoP) einer Kälteanlage ist sehr wichtig, um die Gesamteffizienz einer Anlage zu bestimmen. Sie ist definiert als Kälteleistung in kW geteilt durch den Energieeinsatz in kW. Obwohl CoP ein sehr einfaches Leistungsmaß ist, wird es in Nordamerika in der Regel nicht für die industrielle Kühlung verwendet. Besitzer und Hersteller dieser Systeme verwenden typischerweise den Leistungsfaktor (PF). Der PF eines Systems ist definiert als die Energiezufuhr eines Systems in PS geteilt durch seine Kälteleistung in TR. Sowohl CoP als auch PF können entweder auf das gesamte System oder auf Systemkomponenten angewendet werden. Zum Beispiel kann ein einzelner Kompressor bewertet werden, indem die zum Betrieb des Kompressors benötigte Energie mit der erwarteten Kälteleistung basierend auf dem Einlassvolumenstrom verglichen wird. Es ist wichtig zu beachten, dass sowohl CoP als auch PF für ein Kältesystem nur bei bestimmten Betriebsbedingungen, einschließlich Temperaturen und thermischen Belastungen, definiert werden. Eine Abkehr von den angegebenen Betriebsbedingungen kann die Leistung eines Systems dramatisch verändern.

Klimaanlagen, die in Wohngebäuden verwendet werden, verwenden normalerweise SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) für die Energieeffizienzklasse. Klimaanlagen für gewerbliche Anwendungen verwenden häufig EER ( Energy Efficiency Ratio ) und IEER (Integrated Energy Efficiency Ratio) für die Energieeffizienz-Leistungsbewertung.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Kältevolumen , ASHRAE Handbook , ASHRAE, Inc., Atlanta, GA
  • Stoecker and Jones, Kälte- und Klimatechnik , Tata-McGraw Hill Publishers
  • Mathur, ML, Mehta, FS, Wärmetechnik Band II
  • MSN Encarta Enzyklopädie
  • Andrew D. Althouse; Carl H. Turnquist; Alfred F. Bracciano (2003). Moderne Kälte- und Klimatechnik (18. Aufl.). Goodheart-Wilcox Publishing. ISBN 978-1-59070-280-2.
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Externe Links