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Erinnern Sie sich an dieses märchenhafte Eisessen im Restaurant? Oder eine schöne Bühne...
Das für diese Szene verwendete Material ist Trockeneis, der feste Zustand von Kohlendioxid. Kohlendioxid ist ein Treibhausgas, aber wenn es Eis bilden kann, würde es Ihre Wahrnehmung nicht untergraben? Das Unverzichtbarste bei den Olympischen Winterspielen sind die verschiedenen Eisarten, und es ist sehr wichtig zu wissen, wie man qualitativ hochwertiges Eis herstellt, das den Anforderungen des Wettbewerbs gerecht wird. Im Wettkampfbereich der Olympischen Winterspiele in Peking wurden sieben der 15 Eisflächen mithilfe der transkritischen Direktkühlungstechnologie mit Kohlendioxid hergestellt. Damit sind die Olympischen Winterspiele 2022 in Peking die ersten Olympischen Spiele in der Geschichte, bei denen Kohlendioxid als Kältemittel in großem Umfang zum Einsatz kommt. Das Capital Gymnasium hat die Eisherstellung abgeschlossen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Beijing News (Foto bereitgestellt vom Beijing Major Projects Office)
Eine Premiere in der Geschichte? Gibt es ein Geheimnis hinter der transkritischen Direktkühlungstechnologie zur Eisherstellung mit Kohlendioxid? Keine Sorge, lassen Sie uns etwas über die Besonderheiten der Eisherstellung für die Olympischen Winterspiele in Peking erfahren. Warum Kohlendioxid wählen? Um klar zu erklären, was transkritische Direktkühlungs-Eisherstellung mit Kohlendioxid ist, müssen wir zunächst die Begriffe aufschlüsseln: Kohlendioxid, transkritische und Direktkühlungs-Eisherstellung.
Lassen Sie uns zunächst über Kohlendioxid sprechen. Den meisten Menschen ist es wahrscheinlich als Gas in der Luft bekannt, und zwar als Treibhausgas. Wer sich besser auskennt, denkt vielleicht an Trockeneis, doch Kohlendioxid kann noch mehr. Ja, Kohlendioxid ist tatsächlich ein Treibhausgas, aber im Bereich der Kältetechnik wird es zu einem umweltfreundlichen Kühlmittel. Bei der Kühlung, von der wir hier sprechen, handelt es sich um künstliche Kühlung, bei der die Temperatur des zu kühlenden Objekts mithilfe von Kühlgeräten auf ein niedrigeres Niveau als die Umgebungstemperatur gesenkt wird. Am Beispiel der transkritischen Direktkühlung mit Kohlendioxid zur Eisherstellung geht es darum, die Temperatur des Wassers so weit abzusenken, dass es zu Eis wird. Beim Prozess der künstlichen Kühlung spielt das Kühlmittel eine sehr wichtige Rolle. Es zirkuliert in der Kühlanlage und spielt eine Rolle bei der Wärmeübertragung. Das Freon, von dem wir oft hören, ist ein sehr verbreitetes Kühlmittel. Warum kann Kohlendioxid als Kühlmittel verwendet werden? Generell erfolgt der Wärmeaustausch bei Kältemitteln durch die wechselseitige Umwandlung von Flüssigkeit in Gas. Auch Kohlendioxid kann bei solchen Aggregatzustandsänderungen Wärme aufnehmen oder abgeben. Einfach ausgedrückt ist Kohlendioxid bei Raumtemperatur und -druck ein Gas. Unter einem bestimmten Druck kann es sich zu einer Flüssigkeit verflüssigen oder sogar zu einem Feststoff kondensieren (festes Kohlendioxid wird oft als Trockeneis bezeichnet). Bei Druckabfall kann flüssiges oder festes Kohlendioxid schnell verdampfen (oder sublimieren) und zu einem Gas werden und eine große Menge Wärme aufnehmen, wodurch die Umgebungstemperatur gesenkt wird (Wasser kann zu Eis kondensieren). Nationale ovale Eislaufbahn für Eisschnelllauf, Bildquelle: Beijing Daily Tatsächlich ist die Verwendung von Kohlendioxid als Kühlmittel nichts Neues. Es ist der „Älteste“ unter den Kältemitteln und kam bereits Ende des 19. Jahrhunderts zum Einsatz. Erst durch das Aufkommen von Kühlmitteln wie Fluorchlorkohlenwasserstoffen verschwand Kohlendioxid allmählich aus dem Blickfeld der Menschen. Erst in den letzten Jahren wurden die negativen Auswirkungen von Kältemitteln wie Fluorchlorkohlenwasserstoffen auf die Umwelt allmählich deutlich und Kohlendioxid, ein umweltfreundlicheres Kältemittel, gewann wieder an Beliebtheit. Manche Leute fragen sich vielleicht: Wo bleibt denn die Umweltverträglichkeit von Kohlendioxid als Kühlmittel, wenn es sich doch um ein Treibhausgas handelt? Zunächst einmal zerstört Kohlendioxid selbst nicht die Ozonschicht, aber viele Fluorchlorkohlenwasserstoff-Kältemittel sind sehr schädlich für die Ozonschicht (wie beispielsweise Freon R12). Zweitens ist Kohlendioxid zwar ein Treibhausgas, sein Treibhauseffekt ist jedoch deutlich geringer als der von Kältemitteln wie Fluorchlorkohlenwasserstoffen, sodass es im Vergleich durchaus als umweltfreundlich gelten kann. Darüber hinaus bietet Kohlendioxid die Vorteile einer breiten Verfügbarkeit, Sicherheit und Ungiftigkeit, sodass es sich auf natürliche Weise von vielen Kühlmitteln abhebt. Warum sollten Sie sich für die Eisherstellung mit Direktkühlung entscheiden? Nachdem wir nun den „Status“ von Kohlendioxid im Kühlbereich geklärt haben, wollen wir darüber sprechen, was die Eisherstellung durch Direktkühlung ist. Tatsächlich ist die direkte Kühlung relativ zur indirekten Kühlung (d. h. Kältemittelkühlung). Unter indirekter Kühlung versteht man den Vorgang, bei dem die durch die Verdampfung des Kältemittels gewonnene Kälteenergie durch das Kältemittel auf die Eisoberfläche übertragen wird, um den Kühlvorgang abzuschließen. Bei der direkten Kühlung ist kein Einsatz eines Kühlmittels erforderlich. Es nutzt die durch die Verdampfung des Kühlmittels erzeugte Kälteenergie direkt zum Wärmeaustausch mit Wasser und gefriert das Wasser allmählich zu Eiswürfeln. Durch die direkte Eiskühlung wird der Energieverlust vermieden, der durch den Einsatz von Kältemittel-Wärmetauscher entsteht. Der Wärmeübergangskoeffizient und die Kühlleistung sind sehr hoch. Darüber hinaus kann die Temperaturschwankung auf 0,5 Grad Celsius begrenzt werden und die Temperatur der Eisbahn kann grundsätzlich konstant gehalten werden, was für Eisschnelllauf und andere Wettkämpfe sehr wichtig ist.
Es gibt noch etwas, das jedem aufgefallen sein dürfte. Das Eis auf der Eisbahn ist milchig weiß wie Milch, das Eis, das Sie zu Hause einfrieren, ist jedoch klar und transparent. Warum ist das so? Nationales Bob- und Rodelzentrum, Bildquelle: Yanqing District Media Center. Generell wird die weiße Farbe der Wettkampfeisbahn nachbearbeitet. Die mit herkömmlicher Eisherstellungstechnologie hergestellte Eisoberfläche ist eigentlich transparent und muss mit spezieller Eisfarbe weiß besprüht werden. Bei Eisbahnen mit Direktkühlung ist jedoch kein weißes Ansprühen mit Eisfarbe notwendig. Dies liegt daran, dass Wasser beim Direktkühlungsprozess sehr schnell zu Eis gefriert (eine Eisbahn, deren Herstellung mit herkömmlicher Eisherstellungstechnologie 7 Tage dauert, kann mit Direktkühlung in 3 Tagen fertiggestellt werden), sodass die Blasen im Wasser im Eis gefrieren, bevor sie entweichen können, und die endgültige Eisoberfläche natürlich milchig weiß erscheint. Was ist transkritisch? Schauen wir uns abschließend an, wie „transkritisch“ zu verstehen ist.
Wie bereits erwähnt, wird Kohlendioxid schon seit langer Zeit als Kühlmittel verwendet. Bei der frühen Kohlendioxidkühlung wurde jedoch ein unterkritisches Kreislaufsystem verwendet, das eine geringe Kühlleistung aufwies. Insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen würde die Kühlleistung von Kohlendioxid stark reduziert sein. Was also bedeutet das „kritisch“ in „subkritisch“ und „transkritisch“? Wir wissen, dass Materie zwischen den Zuständen Gas, Flüssigkeit und Feststoff umgewandelt werden kann und dass der thermodynamische Grenzzustand, in dem Gas und Flüssigkeit im Gleichgewicht koexistieren, der kritische Zustand ist. Die Temperatur und der Druck zu diesem Zeitpunkt werden als kritische Temperatur bzw. kritischer Druck bezeichnet. Am Beispiel von Kohlendioxid liegt die kritische Temperatur bei 31,1 Grad Celsius und der kritische Druck erreicht 7,38 MPa. Kohlendioxid wird als Kühlmittel zur Zirkulation im Kühlschrank verwendet, der hauptsächlich aus vier Teilen besteht: Kompressor, Kondensator (Kühler), Expansionsventil und Verdampfer. Im unterkritischen Kreislaufsystem des transkritischen Kohlendioxid-Kältekreislaufs ist der Druck während der Kondensation niedriger als der kritische Druck von Kohlendioxid; Im transkritischen Kreislaufsystem befindet sich Kohlendioxid im Kühler in einem überkritischen Zustand und gibt Wärme bei konstantem Druck ab, ohne dass ein vollständiger physikalischer Phasenwechsel stattfindet. Der Druck im Verdampfer ist niedriger als der kritische Druck. Zu diesem Zeitpunkt tauscht Kohlendioxid Wärme mit der Umgebung aus, absorbiert Wärme und senkt die Temperatur der Umgebung. Das transkritische Kohlendioxid-Kältekreislaufsystem weist einen hohen Druck und große Druckunterschiede auf und stellt sehr hohe Anforderungen an die Festigkeit der Systemkomponenten, sodass es lange Zeit nicht weit verbreitet war. Bei den Olympischen Winterspielen in Peking wurde erfolgreich die transkritische Direktkühlungstechnologie zur Eisherstellung mit Kohlendioxid eingesetzt, um die Vorbereitung von sieben Eisflächen abzuschließen. Die technische Unterstützung dahinter besteht in der iterativen Aufrüstung der Kernhardware wie Kompressoren, Wärmetauschern und Regeneratoren, was ein Spiegelbild der wissenschaftlichen und technologischen Stärke ist. Es scheint, dass das Eis bei den Olympischen Winterspielen nicht nur das „schnellste“ Eis ist, sondern auch das Eis mit dem höchsten technologischen Gehalt. |
