Kyla utan energitillskott
av Claus Laurén Forum 1986-08, sida 16-17, 08.05.1986
Himlens svarta hål ger
KYLA UTAN ENERGITILLSKOTT
Kylning är ofta mer energikrävande än uppvärmning. Detta gäller framför allt på fattiga, sydliga breddgrader, där behovet av kyla är större än hos oss. För att råda bot på det här problemet har forskare vid Chalmers Tekniska Högskola i Göteborg utvecklat en typ av ”gratiskylning”, som baserar sig på en gammal persisk teknik.
nader ett antal år har man vid Char U mers Tekniska Högskola bedrivi forskning rörande passiva kylsystem. Tekniken bygger på naturliga strålningsförluster i vissa, speciella frekvensområden, och är egentligen inte ny i sig. Vad som är nytt är däremot optimeringstänkandet, materialforskningen och det vetenskapliga klarläggandet av processernas termiska och fysikaliska natur.
Forskningen inom detta område resulterade under 1985 i en doktorsavhandling. Den bär titeln Surface Coatings for Radiative Cooling to Low Temperature. Författaren heter Tord S Eriksson och han är noga med att understryka att sista ordet knappast ännu är sagt i denna fråga.
Redan de gamla perserna… Tekniken med passiv kyla har rötter som sträcker sig långt bakåt i tiden. | Persien utnyttjade man i gamla tider en yakchal för tillverkning av is. De klara och relativt kalla nätterna (dock betydligt över noll grader) i detta torra klimatområde möjliggjorde konstruktionen av passiva Ismaskiner av enkelt men funktionsdugligt slag.
Klara, relativt kalla nätter är ett nyckelbegrepp i det här sammanhanget. Den öppna natthimlen, som inte döljs av moln eller fuktlager, avger mycket litet strålning i vissa infraröda frekvensområden. Det betyder i sin tur att en varm kropp på jordytan avger strålningsenergi uppåt, I riktning mot zenith.
En yakchal består av en grund bassäng, som är skyddad mot vindpåverkan. Värmestrålningen avgår från bassängens vatten och trots att lufttemperaturen ligger på 6—3 plusgrader fryser vattnet i bassängen. isen som bildas kan sedan uppsamlas fram emot morgonen och lagras för kylning av livsmedel eller bostäder.
Att ett enkelt och tillförlitligt kylsystem av denna typ kan användas till betydligt mer än is till kvällsgroggen, säger sig självt. | själva verket är systemet ganska olämplig 1 för tillverkning av livsmedelsis på grund av den öppna och inte särskilt hygieniska konstruktionen.
Däremot kan den naturligtvis användas för komfortkylning och konservering. Ett spännande applikationsområde är avsaltning (desalinering). Avsaltning kan nämligen mycket väl utföras med hjälp av omvänd destillation.
Högre verkningsgrad
Den persiska kylmaskinens verkningsgrad är ganska låg, och vad man eftersträvade på CTH var att åtminstone fördubbla kyleffekten. De grundläggande problemen var 9 att hitta material och konfigurationer, som möjliggjorde största möjliga utstrålning i det aktuella våglängdsområdet, oc € att på ett eller annat sätt minska tillförseln av konduktivt och konvektivt värme.
Utöver detta gällde det att undersöka metodens förutsättningar i olika klimattyper samt hur atmosfärens sammansättning påverkade värmestrålningen. Det hela utvecklades till ett omfattande program, som dels bestod av studier av tidigare forskares arbeten inom detta och närbesläktade områden, dels av datorbaserade simuleringar och dels av praktiska experiment.
En hypotes som prövades var, att den strålande ytan borde utformas som en kon eller paraboloid. Ett närmare studium av natthimlens värmestrålning visade emellertid att arbetshypotesen saknade stöd i verkligheten. Följaktligen valde man att arbeta med plana ytor i fortsättningen.
En mycket viktig fråga var, att skydda kylmaskinen mot termisk påverkan från den närmaste omgivningen. Då det gällde kärlets väggar och botten kunde etablerad teknik utnyttjas. Ett allvarligare och mer svårlöst problem var däremot isoleringen uppåt. Här kom modern materialteknik in i bilden.
Det gällde att hitta ett material, som lämpade sig som skärm över kylanläggningen. Också skärmens form var en faktor att räkna med. Största möjliga värmemängd borde avgå i form av infraröd strålning | våglängdsområdet 8—12 micrometer (det termiska fönstret). Samtidigt skulle konduktiva och konvektiva förluster förhindras. Lufttäthet och mekanisk stabilitet var andra viktiga krav på skärmen.
De material som först kom i åtanke var kisel och germanium, vilka är starkt genomsläppliga för IR-strålning. En värmesköld av detta material skulle effektivt motverka konvektion och endast konduktiva värmestörningar kunde komma ifråga. De sistnämnda är dock negligerbara i det här sammanhanget.
Materialens refraktionsindex är emellertid högt, och därför skulle man bli tvungen att förse värmeskölden med en täckning av antireflekterande material på bägge sidor. Sådana dyrbara lösningar kan naturligtvis försvaras då det handlar om rent vetenskapligt studium, men i praktiken skulle kostnaderna bli alltför höga för industriell tillämpning.
Plasten till hjälp
I stället började man snegla på polyetylen, som har goda IR-egenskaper och dessutom är billigt. Avigsidan är materialets mjukhet. En konstruktion måste alltså utvecklas som gav den nödvändiga mekaniska stebiliteten.
Forskningsarbetet med konvektionsskölden utmynnade i följande resultat. Veckade och korsvis placerade plan av polyetylen fick försämrade IR-egenskaper allt eftersom antalet lager ökades, samtidigt som konvektionsskyddet förbättrades.
Vid prov som utförts med en enda, platt polyetylenfolie uppnåddes en IR-transmission av hela 85 procent. ! detta fall blev emellertid konvektionsegenskaperna betydligt försämrade. Slutsatsen var, att en bikake-formad förstärkning av IR-reflekterande material borde ge en mycket god transmission i det aktuella våglängdsområdet, samtidigt som konvektionsegenskaperna optimerades.
Det centrala problemet för forskarna var emellertid hur den strålningsemitterande ytan egentligen skulle vara beskaffad. Innan man gav sig i kast med den praktiska, experimentelia fasen, gällde det att genom simuleringar och data-analyser definiera dels vilka egenskaper man betraktade som önskvärda, och dels vilka material, som i praktiken kunde komma ifråga.
Vad man eftersträvade var material, som i jämförelse med en svartkropp gav en högre grad av IR-selektiva egenskaper. En serie initialtest genomfördes i Göteborg redan 1982.
Kiseloxynitrid framstod redan nu som ett mycket intressant material. Ämnet utgör en hybrid av kiseloxid och kiselnitrid (alltså inte egentlig kemisk förening), och balansen mellan oxid och nitrid kan styras till önskade värden.
8/1985 FORUN,
Man testade ett 1,34 mikrometer tjockt skikt av SIO, sNy,»- Underlaget bestod av en aluminiumspegel. Referenssystemet bestod av en svarimålad yta med emissiviteten 99 procent. Konvektionsskölden bestod av dubbla LDPE-folier med en spalt av ca 5 cm (LPDE = Low Density Polyethylene).
Förhållandena vid mättillfället var följande. Den omgivande temperaturen var plus 12,3?C. Mätningen utfördes med en vanlig kvicksilvertermometer, vilken skyddats mot natthimlens kalla zenith. Den relativa fuktigheten, mätt med en konventionell hygrometer, uppgick till 83 procent.
Förhållandena bedömdes inte som gynnsamma för experimentresultatet. Själva maskinen var inte heller på något vis optimerad, utan dess isolering mot konduktion och konvektion var av ganska primitiv utformning. Ändå uppnåddes en temperaturgradient på 14?C för svartkroppen och 15,5”C för den IR-selektiva ytan.
Tropiska fältförsök
Nästa större fältförsök gjordes i Dodoma i Tanzania i augusti 1984. Valet av plats be FÖRUN 8/198 stämdes dels av klimatet och dels av att detta var ett sådant område där den här tekniken kunde tänkas utnyttjas i framtiden.
Utrusiningen som testades i Dodoma var av betydligt mer sofistikerad art än den som använts I Göteborg två år tidigare. I det här fallet användes en V-korrugerad konvektionssköld och isoleringen utgjordes av polyuretan. Den IR-selektiva ytan bestod i det här fallet av en oxynitrid av följande sammansättning: SiO, ,,Nq,s,4, och tjockleken uppgick till 1,5 mikrometer.
Skiktet hade sprutats över en 1 mm tjock aluminiumplatta. Också här användes en 1 mm tjock, svartmålad aluminiumplatta som referens. De strålande ytorna var större än i Göteborgsförsöket och termisk energi tillfördes panelen med hjälp av elektriska värmare.
Dodoma-experimentet resulterade i lägre ternperaturgradienter än Göteborgsförsöket. Det här kanske kan förefalla märkligt mot bakarund av den förbättrade utrustningen, men det finns en naturlig förklaring till fenomenet. Den konvektionssköld, som hade använts här reducerade kyleffekten med 40—50 procent.
De gradientvärden, som uppnåddes i Dodoma, låg på 11,7”C för den svarta ytan och 13,2”C för den selektiva. En viktig iakttagelse vid detta försök var, att kondensvatten på konvektionsskölden minskar gradienten på ett drastiskt sätt. Dessutom förefaller kondensfukten att försämra den IR-selektiva ytans egenskaper i betydande grad. Resultatet av Dodomaförsöket blev följande: € eftersträva en ökning av den hemisfäriska IR-transmissionen genom konvektionsskölden — helst upp till 80 procent, oc $ försök hejda kondensationen av vattenånga på kylytorna och konvektionssköldarna.
Omvänd idé i norr
I januari 1985 utfördes nya försök i Göteborg. Eftersom erfarenheterna från Dodoma hade givit vid handen, att det var konvektionssköldens konstruktion som hade minskat kyleffekten, valde man att arbeta vidare med samma typ av kylytor, men en annan sköldkonstruktion.
Skölden bestod I detta fall av 30 mikrometer tjock HDPE-folie (High Density Polyethylene). För undvikande av funktfenomen utfördes experimenten under ett par extremt kalla och klara vinternätter.
I detta fall blev temperaturgradienten mycket hög. Den svarta referensmaskinen uppnådde en gradient av 18,5”C och den selektiva ytan fick ett gradientvärde på hela 209C.
vilka är nu de rent praktiska möjligheter, som denna forksning öppnar? Först som sist måste fastslås att den här tekniken har sina givna begränsningar. Den är olämplig i fuktiga klimat, och passar därför inte för flertalet lågt liggande områden. I torra högländer, däremot, och vissa ökenområden borde den ha mycket goda utsikter.
Men också I nordliga områden, där stora värmeförluster sker via hustaken, under klara vinternätter, borde denna förksning kunna bidra till bättre energiekonomi. I det fallet handlar det om att vända upp och ner på hela idén, vilket torde vara fullt möjligt enligt Tord S Eriksson.
Claus Laurén &
Med denna enkla apparatur uppnådde man mycket hög temperaturgradient: 18” för svartkroppsytan och 20” för den selektiva ytan.
17