Также по теме

ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА

ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА, раздел техники, охватывающий вопросы отвода тепла от объектов или объемов, которые требуется поддерживать при температурах ниже температуры окружающей среды. Теплота, по определению, – это энергия, перенос которой обусловлен разностью температур; следовательно, для обеспечения охлаждения объекта (объема) необходимо создать из него «сток» тепла и поддерживать его при температуре ниже температуры окружающей среды. Существует много способов, позволяющих сделать это; некоторые из них заключаются всего лишь в перемещении объекта во времени и пространстве, как, например, при сохранении зимнего льда для последующего использования летом. В других методах могут использоваться естественные источники холода, такие, как колодезная вода, охлаждение воздуха при испарении и холодный воздух из глубоких карстовых пещер или с ледников. В большинстве случаев, однако, источником холода являются механические или химические процессы. Все механические холодильные машины представляют собой не что иное, как тепловые насосы.

Хладагенты.

Хотя в конкретных холодильных устройствах могут использоваться самые разнообразные летучие жидкости, некоторые специфические требования сужают количество хладагентов до одной-двух жидкостей, пригодных для широкого практического использования. Эти жидкости должны быть неядовитыми, негорючими, не вступать в химическое взаимодействие со смазкой, иметь высокую теплоту испарения, подходящие критическую температуру и температурную зависимость давления насыщенных паров, малый удельный объем. Как правило, желательно использовать хладагенты, имеющие такую зависимость давления насыщенных паров от температуры, чтобы небольшое избыточное давление соответствовало области разрежения компрессора и не слишком высокое – зоне сжатия. Небольшое избыточное давление в зоне разрежения позволяет избежать проблем, которые возникают, если давление разрежения ниже атмосферного, а умеренное давление в зоне сжатия позволяет облегчить конструкцию и снизить ее стоимость.

Наиболее употребительными хладагентами являются воздух, вода, аммиак, углекислота, хлористый метил, сернистый ангидрид и различные фреоны. Воздух используется главным образом в системах охлаждения в авиации, тогда как аммиак находит наибольшее применение в крупных холодильных камерах. Углекислота в свое время широко применялась в установках на морских судах из-за своей нетоксичности и негорючести, однако вследствие очень высокого давления ее насыщенных паров при нормальных температурах (более 7 МПа) была практически вытеснена фреонами (хладонами). Хладагент, наиболее широко используемый в системах кондиционирования, – фреон-22 (дифтормонохлорметан) – нетоксичная, негорючая жидкость, обладающая подходящей температурной зависимостью давления насыщенных паров. Другие фреоны широко применялись в системах, работающих при низких температурах испарения или при очень малых перепадах давлений расширения и сжатия (центробежные компрессоры). В связи с неблагоприятным влиянием на стратосферный озон производство озоноактивных фреонов сокращается. Вода в качестве хладагента не обладает удовлетворительными температурными характеристиками по давлению, и ее использование поэтому ограничено специальными установками, например пароэжекторными холодильными машинами.

Холодильный цикл.

Простой паровой цикл механической холодильной машины реализуется с помощью четырех элементов, образующих замкнутый холодильный контур, – компрессора, конденсатора, дроссельного вентиля и испарителя или охладителя (рис. 1). Пар из испарителя поступает в компрессор и сжимается, вследствие чего его температура повышается. После выхода из компрессора пар, имеющий высокие температуру и давление, поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется. В некоторых конденсаторах используется режим переохлаждения, т.е. дальнейшее охлаждение сконденсировавшейся жидкости ниже ее температуры кипения. Из конденсатора жидкость проходит через дроссельный вентиль. Поскольку температура кипения (насыщения) для данного давления оказывается ниже температуры жидкости, начинается ее интенсивное кипение; при этом часть жидкости испаряется, а температура оставшейся части опускается до равновесной температуры насыщения (тепло жидкости расходуется на ее превращение в пар). Процесс дросселирования иногда называют внутренним охлаждением или самоохлаждением, поскольку в этом процессе температура жидкого хладагента снижается до нужного уровня.

      Рис. 1. СХЕМА ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА

Таким образом, из дроссельного вентиля выходят насыщенная жидкость и насыщенный пар. Насыщенный пар не может эффективно отводить тепло, поэтому он перепускается мимо испарителя и подается прямо на вход компрессора. Между дросселем и испарителем установлен сепаратор, в котором пар и жидкость разделяются.

Единицы измерения холода.

Как пережиток старых времен до сих пор широко используется понятие «тонна холода». Одна тонна холода – это количество энергии, которое необходимо отобрать, чтобы 1 т воды при температуре 0° С превратить в лед при температуре 0° С за 24 ч. Эта величина определяет минимальный эффект охлаждения, который реализуется при плавлении одной тонны льда в течение суток. Действительный холодильный эффект превышает этот минимум, так как коммерческий лед поставляется в переохлажденном состоянии при температуре около -12° С, и, кроме того, образовавшаяся после его таяния вода нагревается до некоторой плюсовой температуры. Фактический охлаждающий эффект единицы массы льда, поставляемого при температуре ti и удаляемого в виде воды при температуре tw, равен (температура в °С):

4,19 (tw + 80 – 1/2ti).

В холодильных установках вместо коэффициента полезного действия, характеризующего эффективность тепловых машин, используется т.н. эксергетический холодильный коэффициент. Он представляет собой отношение полезного отведенного тепла к теплу, которое эквивалентно механической работе, необходимой для достижения этого охлаждения. При обычных рабочих условиях холодильный коэффициент изменяется в диапазоне от 3 до 8. Здесь необходимо отметить, что это, конечно, не означает, что система отдает больше энергии, чем получает (этот результат противоречил бы первому закону термодинамики). Это говорит только о том, что небольшое количество механической работы способно повысить энергетический потенциал, т.е. температурный уровень, значительно большего количества энергии.

Термоэлектрическое охлаждение.

Термоэлектрический холодильник работает на основе эффекта Пельтье, который заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока через спай термопары. На рис. 2 схематично показано поперечное сечение такого холодильника объемом 65 дм3, способного поддерживать температуру холодильной камеры на 10° С ниже температуры окружающей среды. В верхней части расположены 72 термоэлемента, обеспечивающие охлаждение, которые потребляют большую часть из 135 Вт электроэнергии, необходимой для работы холодильника. В канале обдува воздухом расположены специальные ребра для лучшего сброса тепла, а в камере установлены пластины для увеличения поверхности теплообмена. Подобные холодильники на судах рассчитаны на хранение шести тонн замороженных или охлажденных продуктов. Промышленность выпускает и другие типы термохолодильников, в частности термостаты для лабораторных нужд. См. также ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО.

      Рис. 2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНИК (может быть сделан портативным). 1 – охлаждающие ребра; 2 – вентилятор; 3 – жалюзи; 4 – термоэлементы; 5 – тепловая изоляция; 6 – холодные пластины.