Kylskolans avsnitt 1 - Värme och Kyla

[BjörnK]

Värme och Kyla

I vanliga fall talar man om värme vid eldning, uppvärmning eller kokning, men sällan när det rör sig om en kylanläggnig. Fast en kylanläggning är iget annat än en 'värmepump', som tar upp värme ur det som skall kylas, och 'pumpar' bort värmen. Att kyla ner betyder att ta bort värme, och själva 'kylan' är helt enkelt frånvaro av värme. Liksom en vakuumpump suger bort luft eller annan gas, kan man säga att en kylmaskin 'suger bort' värme och därigenom åstadkommer avkylning.

Allt som kan avkylas innehåller värme, och värmeinnehållet minskar vid kylningen. Det synliga tecknet på ett föremåls värmeinnehåll är ofta dess temperaturvärde på en termometer. Alla ämnen och föremål vilkas temperatur är högre än den s.k. absoluta nollpunkten, innehåller värme. Den absoluta nollpunkten ligger vid -273°C, först när temperaturen nått så lågt är det 'slut' på värmen.



Värmemätning

Värme är inte något ämne utan en energiform. Vi kan dock göra en jämförelse med vatten, för enkelthetens skull. Liksom man i fråga om vatten talar om både tryck och vattenmängd, brukar man när det gäller värme tala om temperatur och värmemängd.
Vi vet att vatten som står under högt tryck sprider sig åt alla håll när rörledningen är otät. På samma sätt söker värmen från ett föremål med hög temperatur sprida sig åt alla håll när föremålet inte är isolerat och alltså är 'otätt' mot värmeförluster.

Vi föreställer oss två vattenbehållare som är förbundna genom en rörledning. Av dessa ligger den ena högre än den andra. Vi vet att vattnet då flyter från den högre belägna behållaren till den lägre och aldrig tvärtom. Skall man överföra vatten från den lägre behållaren till den högre, behövs det en pump, som i sin tur fordrar kraft.

På samma sätt förhåller det sig med värmen, när vi har två föremål med olika temperaturer eller, som man kan säga, 'värmetryck'. Värmen övergår från högre temperatur till lägre och aldrig av sig själv tvärtom. För att transportera värme från ett föremål med en viss temperatur till ett annant med högre temperatur fordras en 'värmepump'. Kylmaskinen är just en sådan pump. Också för 'värmepumpningen' behövs det kraft, och kraftförbrukningen blir större, ju 'högre upp' värmen skall 'pumpas', dvs. ju högre temperaturskillnaden är. Dessutom står kraftförbrukningen naturligtvis i direkt förhållande till den överförda värmemängden. För att kunna bedöma en kylanläggning måste man alltså mäta både temperatur och värmemängd.



Temperatur

Enheten för temperatur är grad Celsius, som betecknas °C. Denna temperaturenhet har man kommit fram til genom att sätta temperaturen för smältande is lika med noll och temperaturen för kokande vatten vid normalt barometertryck lika med 100. Mellanrummet på termometerskalan delas upp i 100 lika delar eller grader. Med denna gradering fortsätter man också nedåt. Graderna blir då negativa, och man har således att göra med minusgrader. Man bör dock akta sig att därav dra slutsatsen, att negativa Celsiusgrader betyder något som skulle motsvara 'negativ värme' eller 'kyla'.

Utom i denna Celsiusskala räknar man temperaturen också i absoluta grader, som oftast betecknas grad Kelvin, °K. Vid denna temperaturräkning utgår man från den absoluta nollpunkten, som ligger vid -273°C

°K=°C+273
°C=°K-273

I bl.a. England och Förenta Staterna räknas temperaturen i Fahrenheitgrader, som förkortas °F. Enligt Fahrenheit sätter man temperaturen på smältande is lika med 32 och temperaturen på kokande vatten lika med 212. Mellanrummet på termometerskalan delas upp i 180 lika delar eller grader.

°C=(°F-32)*5/9
°F=(°C*9)/5+32



Temperaturmätning

För att mäta temperatur använder man olika slag av termometrar. Den vanligaste av dessa känner vi alla till, ett smalt glasrör fylld med färgad sprit, kvicksilver e.d. Vätskepelaren i röret varierar med vätskans volymändring, som i sin tur är beroende av temperaturväxlingarna. En nackdel är att t.ex. kvicksilver fryser vid -39°C, varefter termometern blir obrukbar.
En annan termometertyp är bimetallstermometern (bi betyder två). Den är uppbggd på så sätt att två metallremsor med olika längdutvidgningskoefficient är sammanlagda och hopfogade. Vid temperaturväxlingar kommer den ena metallremsan att utvidga sig mer än den andra. Bimetallen kröker sig därför åt ena eller andra hållet. Den fria änden på bimetallen kan förbindas med en visare som direkt anger temperaturen på en visartavla.



Värmemängd

För att höja temperaturen på ett föremål måste vi tillföra värme; för att sänka temperaturen måste vi bortföra värme.
Enheten för värmemängden är kilokalori och betecknas kcal. En kilokalori är den värmemängd som behövs för att uppvärma 1kg vatten 1°C.
Från kylteknikerns synpunkt är det bättre att säga: 1 kcal är den värmemängd som måste bortföras för att temperaturen hos 1kg vatten skall sänkas 1°C.

I bl.a. England och Förenta Staterna räknar man värmemängden i 'British thermal unit', som förkortas Btu. 1Btu=0,252kcal.

Som enhetlig internationell värmeenhet har man infört enheten Joule. Vid omräkning utgår man från att 1kcal motsvarar 4187 joule.



Kyleffekt

Med kyleffekt menar man den per timme bortförda värmemängden i kilokalorier. Enheten för kyleffekt är kilokalori per timme och förkortas kcal/h. I bl.a. England och Förenta Staterna räknar man kyleffekten i Btu per timme, som förkortas Btu/h och som motsvarar 0,252 kcal/h. Dessutom räknar man med 'tons of refrigeration', som oftast förkortas 'ton' eller också T.R. 1 ton of refrigeration är 12000Btu/h, som motsvarar 3024kcal/h. Enligt det nya internationella systemet kommer kyleffekten att kunna uttryckas antigen i watt eller Joule/s. En kcal/h kommer att motsvara 1,163W eller J/s.



Värme är energi

Värme är en form av energi, dvs. arbetsmängd, och kan inte förintas, ty enligt en naturlag är energin oförstörbar. Energi kan endast överföras till någon annan energiform. Man bör komma ihåg att värme bara till en viss del kan överföras i andra energiformer, medan alla andra energiformer helt kan omvandlas i värme.

Arbete räknas i kilopondmeter, som förkortas kpm. 1kpm är det arbetet som uträttas när man lyfter 1kg lodrätt uppåt 1m. Effekt räknas i hästkrafter, som förkortas hk. Effekten är 1hk när det per sekund utförda arbetet är 75kpm. Elektrisk effekt räknas i kilowatt, som förkortas kW. Effekten uttryckt i watt är vid likström lika med spänningen mätt i volt gånger strömmen mätt i ampere. Vid enfas växelström är den spänningen gånger strömmen gånger effektfaktorn. Vid trefas växelström är effekten 1,73 gånger spänningen gånger strömstyrkan gånger effektfaktorn. Effektfaktorn betecknas som cos φ (uttalas 'kosinus fi').

1hk = 0,736kW = 745,7W eller J/s
1kW = 1,36hk
1hk = 632kcal/h
1kW = 860kcal/h



Stelning och smältning

För att smälta is måste man tillföra värme, för att frysa vatten till is måste man bortföra värme. På samma sätt förhåller det sig med alla ämnen: smältning fordrar värmetillförsel, och för att få någon vätska att stelna eller frysa måste man bortföra värme. Det egendomliga är därvid att temperaturen förblir oförändrad under själva smältnings- och stelningsprocessen, trots att en värmeomsättning sker. Denna oföränderliga temperatur, vid vilken smältningen och stelningen sker, kallas för ämnets smältpunkt eller stelningspunkt. Stelningsvärme är den värmemängd som man måste bortföra för att få 1kg vätska, som redan avkylts till sin stelningspunkt, att stelna.

Smältvärmet är precis lika stort som stelningsvärmet och betyder den värmemängd som måste tillföras 1kg av ämnet för att åstadkomma smältningen, när ämnet redan har värmts upp till sin smältpunkt. Ett smältande ämne vars temperatur är lägre än omgivningens, t.ex. is, tar vid sin smältning upp värme från omgivningen och åstadkommer därigenom köldalstring. Vattnets stelningsvärme är lika med isens smältvärme, 80kcal/kg. Detta är alltså köldalstringen per kg is när man använder iskylning.



Tryck och tryckmätning

Allting på jorden är utsatt för lufttrycket eller det atmosfäriska trycket som man brukar mäta med barometer. Därför talar man först om tryck när det överstiger det normala lufttrycket. Med tryck menar man då vanligtvis övertrycket i jämförelse med omgivningstrycket. Är trycket i någon behållare e.d. mindre än det yttre lufttrycket talar man om undertryck eller vakuum. Tryck mäter man i kilopond per kvadratcentimeter, kp/cm². Enheten 1kp/cm² betecknas ofta som 1 atmosfär och förkortas at. Är det tal om absolut tryck blir förkortningen at a., medan övertryck förkortas at ö.

Vakuum eller undertryck räknas i kvicksilverpelare som förkortas Hg. 1kp/cm² = 73,5cm Hg.

I det internationella måttenhetssystemet även för kylanläggningar använder man enheten 1bar = 1,019kp/cm²



Ångbildning och ångtryck

Alla vätskor strävar efter att bilda ånga. Denna strävan är olika stark hos olika vätskor och beror i hög grad på temperaturen. Vid högre temperatur är den betydligt starkare än vid lägre temperatur. Strävandet att bilda ånga åstadkommer ett visst tryck, när man fyller litet vätska i en behållare. Detta tryck kallas en vätskas ångtryck.

Vid hög temperatur åstadkommer vattnet i en ångpanna ett betydligt tryck. Vid lägre temperatur är trycket så svagt att vi inte kan konstatera det utan särskilda mätinstryment. Däremot finns det andra vätskor, som redan vid låg temperatur har avsevärt ångtryck. Dessa vätskor använder man i kylanläggningarna som 'köldmedium'.



Kokning

När man tillför en vätska värme, stiger temperaturen, och samtidigt tilltar vätskans förångningssträvan eller ångtryck. Genom att stegra vätskans temperatur ökar man vätskans ångtryck, tills detta vid en viss temperatur är så stark att det övervinner det yttre tryckets motståndskraft och en utomordentlig intensiv ångbildning börjar, som man kallar kokning. Den värmemängd som måste tillföras 1kg vätska för att förvandla vätskan till ånga, kallas ångbildningsvärme. Förutsättningen är att vätskan redan har sin kokpunkts temperatur.



Kokpunkten beror på det yttre trycket

Är det yttre trycket litet, behöver vi inte höja vätskans temperatur särskilt mycket för att dennas ångtryck skall kunna övervinna motståndet. Detta betyder att vid mindre yttre tryck börjar kokningen vid lägre temperatur. Vid starkare yttre tryck måste vätskan däremot värmas upp till högre temperatur, innan kokningen börjar. Kokpunkt är den temperatur, vid vilken en vätskas ångtryck är lika med det yttre trycket. Det har ingen betydelse om det yttre trycket utövas av luft eller någon annan gas eller t.o.m. vätskans egen ånga. Vid normalt lufttryck kokar vatten vid 100°C. Lufttrycket betecknas som normalt när barometern visar 760mm eller 76cm. På en höjd av 4000m över havet är lufttrycket betydligt mindre och motsvarar endast 46cm på barometern, dvs. 30cm vakuum, där vattnet kokar redan vid 87°C.



Kokning utan värmetillförsel

Av det föregående kan vi dra slutsatsen att en vätskas kokpunkt kan ändras genom att det yttre trycket ändras, t.ex. med hjälp av en vaakumpump eller kompressor. Med andra ord: Vi kan få en vätska att koka utan att tillföra någon som helst värme om vi bara minskar trycket tillräckligt. Genom att minska det yttre trycket minskar vi det motstånd som hindrar kokningen. När vi har sänkt trycket så mycket att det blir lika med vätskans ångtryck vid den temperatur vätskan just har, börjar vätskan att koka. Ytterligare trycksänkning medför intensivare kokning. Genom trycksänkning kan vi alltså tvinga en vätska att koka utan värmetillförsel, eftersom den drivande kraften vid kokningen är vätskans egen ångbildningssträvan.

Å andra sidan fordrar ångbildningen värme. För varje kg förångad vätska åtgår det nämligen en värmemängd som motsvarar den redan nämda ångbildningsvärmen. Eftersom ingen värme tillförs utifrån, tar vätskan denna värme ur eget förråd. Följden blir att temperaturen sjunker, ty borttagning av värme betyder kylning. På så sätt har vi alltså åstadkommit en kylmaskin.



Kondensation

Genom temperatursänkning kan ånga tvingas att övergå i vätskeform. Denna process kallas kondensation. Vid kondensering eller vätskebildning måste värme bortföras, men temperaturen på den kondenserade ångan ändrar sig inte. Om 1kg ånga skall kondenseras till vätska av samma temperatur, måste en värmemängd motsvarande ångbildningsvärmen bortföras, alltså samma mängd värme som vätskan tillfördes när den förvandlades till ånga. Man kan också tvinga ångan att kondensera utan att sänka temperaturen, bara man ökar det yttre trycket tillräckligt.

Nu har ni läst om de båda huvudprinciperna för en kylmaskin, nämligen framtvingad förångning genom tryckminskning och framtvingad kondensering genom tryckstegring


Källa: Delar av texten är hämtat ur 'Kylanläggningar' (Hermods Skola), med tillstånd från Liber Hermods AB