Arbeidsmedium

Et arbeidsmedium er den væsken eller gassen som anvendes i varmekraftmaskiner, kjølesykluser og varmepumper for overføring av varme i en termodynamisk syklus. Innenfor kjøle- og varmepumpeteknologi omtales dette også som kjølemedium eller kuldemedium. De fleste termodynamiske sykluser gjøre bruk av latent varme for arbeidsmediet ved faseovergang, for eksempel fra flytende til gassform. Om det brukes andre sykluser forblir arbeidsmediet i gassform mens det gjennomgår alle prosesser i syklusen. I varmekraftmaskiner gjennomgår arbeidsmediet en forbrenningsprosess, for eksempel i forbrenningsmotorer eller gassturbiner. Det finnes også prosesser i varmepumper og kjøleprosesser der arbeidsmediet ikke endrer fase, for eksempel omvendt Brayton- eller Stirlingsyklus.

Arbeidsmedier for varmepumper, kjøle- og fryseanlegg leveres på gassflasker. En mye brukt gass er freon.

Krav til et arbeidsmedium

Valg av arbeidsmedier har betydelig innvirkning på den termodynamiske ytelsen for arbeidssyklusen i termiske prosesser. Et egnet fluidum (væske eller gass) må ha gode fysiske-, kjemiske-, miljømessige-, sikkerhetsmessige- og økonomiske egenskaper. Det vil si at parametre som spesifikt volum (høy tetthet), viskositet, giftighet, brennbarhet, ozonnedbrytende potensial (ODP), global oppvarmingspotential (GWP) og kostnader tillegges vekt. I tillegg kreves gunstige prosessegenskaper som høy termisk- og eksergieffektivite. Disse kravene gjelder både rene (en komponent) og blandete (flere komponenter) arbeidemedier. Forskningen som foregår er i stor grad fokusert på valg av rene arbeidsmedier. En viktig begrensning for rene arbeidsmedier er deres konstante temperaturprofil ved faseovergang. Blandinger av forskjellige arbeidsmedier har fordelen med at profilen for fordampningstemperaturen er variabel, dermed følger de profilen til varmekilden bedre, i motsetning til flat (konstant) fordampningsprofil som en ren væske har. Dette gir en tilnærmet stabil temperaturforskjell under fordamping i fordamperen.^[1]

Krav til for arbeidsmedier varmekraftmaskiner og kjøle-sykluser

Nedenfor følger en opplisting av termodynamiske og fysiske kriterier for arbeidsmedier i varmekraftmaskiner og kjøleanlegg:

Metningstrykk ved den maksimalt oppstående temperatur for syklusen bør ikke være for stor. Veldig høyt trykk fører til mekaniske problemer, derfor kan unødvendig dyre komponenter bli resultatet.^[2]
Metningstrykket ved syklusens minimumstemperatur (det vil si trykk ved kondensasjon) bør ikke være så lavt at det fører til problemer med tettinger. Dette kan føre til at luft fra omgivelsene trenger inn i systemet.^[2]
Trippelpunktet bør ligge under forventet minimumstemperatur. Dette sikrer at mediet ikke stivner i noen del av syklusen eller mens det blir behandlet utenfor systemet.^[2]
Arbeidsmedier bør ha lav viskositet, høy latent varme ved fordampning, høy termisk konduktivitet i væskeform og god fuktingsevne. Disse egenskapene sikrer at arbeidsmediets trykkfall når det passere gjennom varmevekslere og tilførselsrør er lav og at varmeoverføringen i varmevekslere blir høy.^[2]
Arbeidsmedier bør ha lave spesifikke volumer i damp- og væskeform. Disse egenskapene påvirker graden av varmeoverføring i varmevekslere. Dampens spesifikke volum er direkte knyttet til størrelsen og kostnadene for systemets komponenter. Videre vil et høyt spesifikt volum i dampform fører til større volumstrøm som krever større omfang av delene på mottagersiden i varmekraftmaskiner eller kompressorer i kjølesykluser. Dette resulterer også i et betydelig trykktap. Det spesifikke volumet for væsken ved trykket som oppstår i kondensatoren skal være så lite som mulig for å minimere den nødvendige kjølevannsmengden.^[2]
Mediet bør ikke være korrosivt og kompatibilitet med de materialer som brukes i anlegget.^[2]
Væsken skal være kjemisk stabilt over hele temperatur- og trykkområdet som benyttes. Kjølemediet må ha motstand mot nedbrytning under varme og i nærvær av smøremidler og andre materialer i anlegget. I tillegg til å gjøre det nødvendig å skifte ut arbeidsmediet, kan kjemisk nedbrytning av mediet avgi gasser som ikke kondenserer og svekke varmeoverføringen i varmevekslere. Det kan også oppstå etseing på materialer i systemet.^[2]
Arbeidsmeidet bør ikke være giftig, ikke brennbart, ikke eksplosivitet, ikke radioaktivt og være godkjent for industriell bruk.^[2]
Arbeidsmediet bør oppfylle miljøkrav, for eksempel at det har lite ozonnedbrytende potensial (ODP) og lavt klimagasspotensial (GWP).^[2]
Mediet bør ha god smøreegenskaper for å redusere friksjon mellom flater som kommer i kontakt, noe som reduserer varmegenerering.^[2]
Mediet bør ha lav pris og være lett tilgjengelig i store kvanta.^[2]
Langsiktig (operativ) erfaring med arbeidsmediet og mulighet for gjenvinning er også gunstig.^[2]

Tilleggskriterier for varmekraftmaskiner (Clausius–Rankine-prosessen)

Den kritiske temperaturen til arbeidsmediet bør være godt over høyeste temperatur som kan oppstå i systemet. Fordampning av arbeidsmediet, og dermed betydelig tilleggsvarme, kan oppstå ved maksimale temperaturer i syklusen. Dette resulterer i relativt høy virkningsgrad for syklusen.^[2]
Stigningstallet for forholdet ds/dT for linjen for mettet damp i T–s-diagrammet bør være nesten null for det trykket som anvendes i strupeorganet. Dette hindrer stort omfang av fuktighetsdannelse (dråpedannelse) eller at overheting oppstår under utvidelse. Det sikrer også at alle varmeavgiving i kondensatoren skjer ved minimum av syklusens temperatur, noe som øker den termiske virkningsgraden for systemet.^[2]
Arbeidsmediet bør ha lav spesifikk varmekapasitet. Eller alternativt få atomer per molekyl per molekylvekt, og en høy andel av latent varme ved fordampning per spesifikk varmekapasitet for mediet. Dette reduserer mengden varme som kreves for å øke temperaturen for arbeidsmediet i dets tilstand av underkjølt væske til den metningstemperaturen som svarer til trykket i fordamperen. Dette skal føre til at det meste av varmen tilføres ved maksimum av syklusens temperatur, og Clausius–Rankine-prosessen vil dermed nærme seg den teoretiske Carnot-syklusen.^[2]

Tilleggskriterier for kjølesykluser og varmepumper

Stigningstallet for ds/dT for mettet damp linjen i T–s-diagram bør være nær null, men aldri positivt for trykkforholdet til kompressoren. Dette hindrer fuktighetsdannelse (dråper) eller at overheting oppstår under komprimering. Kompressorer er svært følsomme for dråper.^[2]
Metningtrykket for temperaturen ved fordampning bør ikke være lavere enn det atmosfæriske trykket.^[2]
Metningstrykket ved kondensasjonstemperatur bør ikke være høy.^[2]
Forholdet mellom kondensasjons- og fordampningstrykk bør være lavt.^[2]