ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ХОЛОДИЛЬНОЇ ТЕХНІКИ частина I

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ	ДОДАТКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ			УКЛАДАЧІ

РОЗДІЛ 1. МИНУЛЕ І СУЧАСНІСТЬ ХОЛОДИЛЬНОЇ ТЕХНІКИ І ТЕХНОЛОГІЙ

1.1. Короткий історичний огляд

1.2. Промислові технології із застосуванням холоду

1.3. Класифікація холодильних установок

1.1. Короткий історичний огляд

Охолодження
	Охолодження – це відведення від тіла тепла, що супроводжується зниженням його температури. У процесі охолодження беруть участь не менше двох тіл: охолоджуване і охолоджуюче. Охолоджуюче тіло називають робочою речовиною.

Найпростішим способом охолодження є теплообмін між охолоджуваним тілом і навколишнім середовищем, під час якого температуру охолоджуючого тіла можна знизити тільки до температури навколишнього середовища. Таке охолодження називається природним. Охолодження тіла нижче за температуру навколишнього середовища називається штучним.

Людство пройшло довгий шлях у пошуках способів штучного виробництва холоду для того, щоб поліпшити умови свого існування. Ще галерні раби знайшли спосіб зберегти студену ключову воду, додаючи до неї селітру. Знали древні й інший спосіб: посудину з водою опускали в морську воду.

Греки використовували пузаті глечики – псикери, а єгиптяни – керамічні цистерни, які після відповідного випалу ставали пористими.
	Вода повільно просочувалася крізь дрібні пори, а потім, випаровуючись на поверхні, віднімала від води частину тепла, необхідного для цього випару, що викликало охолодження води. Іноді раби обмахували їх опахалами, що підсилювало циркуляцію повітря у поверхні глиняних посудин та випар вологи крізь пористі стінки рис. 1.1.
Рис. 1.1. Глиняний глечик для охолодження випаровуванням

Олександр Македонський намагався підтримувати боєздатність солдатів запасами холодної води. Нерон не зупинявся ні перед якими витратами, щоб пригощати своїх гостей холодними винами і стравами. У справу йшли лід і сніг, заготівлю яких вели в основному в горах або на водоймищах, що замерзли.

Відомо, що халіфи Багдада споряджали великі каравани верблюдів у гори Вірменії для доставки величезних кількостей снігу, частина якого набивалася між подвійними стінами їхніх літніх палаців, щоб там встановилася легка прохолода.

В Україні, у листопаді-грудні, як тільки на річках з’являвся перший лід, його нарізали на зразок теперішніх шлакоблоків та укладали у глибоких підвалах-льохах у шаховому порядку. Закривали зверху соломою (рис. 1.2). Молоко зберігали у глечику, обгорненому змоченою у воді тканиною, і виставляли на протяг, домагаючись зниження температури рідини випаром вологи.

Рис. 1.2. Підвал-льох

Таким чином, у плині тривалого періоду природні лід і сніг слугували для людства головними джерелами холоду.

В Італії й Франції вже в ХVI столітті вперше почали застосовувати природний лід у великих масштабах, що сформувало комерційну значимість холоду. У меню заможних громадян Венеції, Флоренції, Риму з’явилися заморожені фрукти. А італієць, Франсиско Прокопіо, відкрив у Парижі кафе, де продавав крижані шербети. Їхня популярність призвела до того, що кількість постачальників льоду в столиці Франції швидко перевищила дві з половиною сотні.

Технологічна і матеріалістично налаштована Європа шукала нові способи зниження температури. Як тільки в середньовіччі з’явилася можливість природничо-наукових досліджень, люди відкрили, що, наприклад, селітра, розчиняючись у воді, поглинає велику кількість тепла, викликаючи значне зниження температури навколишнього середовища. Цю здатність до зниження температури можна назвати першим способом штучного охолодження. Якщо змішати селітру не з водою кімнатної температури, а з льодом, то можна одержати склад, здатний охолодити продукти або напої до температури значно нижче нуля.

Це відкриття, популярне на той час, широко використовувалося для охолодження вина, напоїв, соків та навіть морозива. На жаль, через порівняно високу вартість, цей спосіб не одержав широкого поширення серед населення та не знайшов комерційного застосування.

	Декількома століттями пізніше, у 1748 році, Вільям Каллен (рис. 1.3) професор медицини університету Глазго, відомий хірург та терапевт, вирішив використовувати для зниження температури рідини вищезгаданий спосіб охолодження під час інтенсивного випаровування. Але тепер він використовував не вітер і змочену тканину, а діетиловий ефір, що кипить у вакуумі.
Рис. 1.3. Вільям Каллен

Використання вакууму дозволило знизити температуру кипіння ефіру нижче кімнатної (на той час фізики вже знали, що зі зниженням тиску температура кипіння рідини знижується, тому під час достатнього розрідження деяких речовини можуть кипіти, навіть за низьких температур).

В установці Вільяма Каллена, випаровуючись, ефір у газоподібному стані переходив в іншу посудину, де, конденсуючись за кімнатної температури, віддавав у атмосферу відібране в холодильній камері тепло. Таким чином, був сконструйований апарат, який на практиці показав можливість постійної генерації холоду в циклічному процесі.

Над створенням холодильних машин працювали багато вчених. Англійський фізик-хімік Роберт Бойль і німецький фізик Отто Ґеріке наприкінці ХVII століття встановили, що вода в розрідженому просторі випаровується за низьких температур.

	Практичне застосування холодильні машини знайшли тільки тоді, коли замість води було винайдено інші, більш ефективні робочі речовини. У 1834 році англійський лікар Джейкоб Перкінс побудував холодильну машину, що працювала на етиловому ефірі (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Модель холодильної машини на етиловому ефірі

Цю машину можна вважати прообразом сучасних холодильних машин, тому що вона мала найхарактерніші для холодильників частини: посудину, насос, змійовик. Робота здійснювалась таким чином: у посудині відбувалося кипіння рідкого ефіру, шляхом відбирання тепла від навколишнього середовища, внаслідок чого вода замерзала і перетворювалась у лід; насос стискав пару ефіру й нагнітав її у змійовик, охолоджуваний водою, від чого пара знову переходила в рідкий стан.

Увесь процес у перших холодильних машинах здійснювався за тиску нижче атмосферного, а машини, засновані на стисненні пароподібних тіл, їх конденсації й наступному кипінні в рідкому стані, одержали назву компресійних.

Пізніше були створені компресійні машини, що працюють на інших робочих речовинах та за тиску вище атмосферного. У 1871 році Чарльз Тельє побудував машину, що працювала на метиловому ефірі. У 1872 році Роберт Бойль отримав перший патент на аміачну холодильну машину. У 1874 році швейцарський фізик Рауль-П'єр Пікте створив машину, що працювала на сірчаному ангідриді, а німецький фізик-інженер Карл Лінде сконструював аміачну машину. У 1845 році американець Джон Горі винайшов повітряну холодильну машину, робота якої була заснована на тому, що під час розширення попередньо стисненого повітря, температура його знижується. У 1850 році французом Едмондом Карре було створено абсорбційну холодильну машину. Робота абсорбційної машини заснована на поглинанні пароподібної речовини, наприклад аміачної пари, слабким водоаміачним розчином та наступним випарюванням аміаку з розчину різними теплоносіями. Його брат Фердинанд Карре удосконалив цю установку і в 1859 р. представив охолоджуючий пристрій на основі абсорбції з використанням водно-аміачної суміші. У 1862 р. на виставці в Лондоні він представив свою машину, що виробляла до 200 кг льоду на годину. Ці перші зразки холодильних машин були дуже громіздкі і дорогі, а використовувані в них холодоагенти (ефір, аміак, сірчистий газ) і сірчана кислота, що утворюється під час розчинення у воді, ‒ отруйні, їдкі або вогненебезпечні. Все це гальмувало практичне застосування холодильних установок.

У міру розширення використання холодильних машин гостро стало питання комплексного застосування холодильної техніки, тобто забезпечення зберігання продуктів, що швидко псуються, від місця їхнього виготовлення до місця споживання – у магазинах, ресторанах і домашніх господарствах. У 1908 році в Парижі відбувся 1-й Міжнародний конгрес із холодильної справи, який вважають подією першорядного значення в історії розвитку холодильної справи (до речі, 1908 рік вважається і роком створення Міжнародного інституту холоду).

Перший домашній холодильник з машинним охолодженням з’явився у 1910 році в США. Цілий рік після створення цієї машини відкриття удосконалювалося і піддавалося різним модифікаціям. Саме тоді, рік по тому, в 1911 році успішна американська компанія «Дженерал електрик» ризикнула першою запустити у виробництво холодильний агрегат під назвою «Одіфрен», який призначався для застосування як в домашніх умовах, так і в торгівлі. Ця холодильна машина отримала ім'я її творця, французького фізика Марселя Одіфрена, і відрізнялася досить оригінальною конструкцією.

Перший домашній холодильник з автоматичним регулюванням температури в камері, спроєктований Копеландом, з’явився у США у 1918 році. Фірма «Кельвинейтор», що спеціалізувалася на виробництві побутових холодильників з 1914 року, виготовила протягом 1918 року 67 таких апаратів. Вже у 1925 році в США було випущено близько 64 тис. холодильників.

Холодильник з машинним охолодженням спочатку це громіздка споруда: об’єм його приблизно в п’ять разів перевищував ємність камери для зберігання продуктів, а площа підлоги, яку він займав, дорівнювала 1 м2. Шафа (рис. 1.5) виготовлялася з дерева, для теплоізоляції застосовувалася пробка; товщина стінок досягала 140 мм. Як холодильний агент використовували сірчистий ангідрид або аміак, витікання останніх із системи, становило небезпеку для здоров’я власників холодильників.

Рис. 1.5. Холодильник з машинним охолодженням

Нині холодильники стали багатофункціональними апаратами. Внаслідок застосування електронних приладів керування, побутовий холодильник перетворився на повністю автоматичний апарат, що не вимагає обслуговування.

Серед технічних новинок минулого сторіччя, що зробили вплив на розвиток і прогрес південних країн, ‒ кондиціонери.

Ідея прокачувати повітря для охолодження через наповнені льодом каністри, прийшла вперше в голову лікарю зі штату Флорида Джону Горі в 30-х роках ХIХ сторіччя. Таким чином він провітрював приміщення своєї лікарні, де лежали хворі малярією.

	Однак, сьогоденним «батьком» кондиціонера вважається Уілліс Керрієр. Молодий інженер з Корнельського університету зрозумів, що видалити вологу з повітря можна, пропустивши його через охолоджені трубкові спіралі. Свою першу систему контролю клімату (рис. 1.6) він створив у 1902 році для однієї з друкарень Нью-Йорка.
Рис. 1.6. Перша система контролю клімату

Незабаром такі установки стали встановлювати на текстильних підприємствах та на кондитерських фабриках. У 1917 році «Емпайр» у Монтгомері (штат Алабама) став першим американським кінотеатром з кондиціонером у залі. Для багатьох подібних приміщень, кондиціонери стали порятунком від банкрутства. До 1930 року Керрієр установив їх вже у 300 кінотеатрах.

Поступову перевагу нового винаходу усвідомили й у Вашингтоні. У 1928 році апарати з кондиціювання повітря з’явилися в палаті представників конгресу США, а потім – у сенаті, Білому домі й Верховному суді.

У 1929 році винахід Керрієра став використовуватися компанією «Бі енд Оу рейлроуд» для підтримки потрібного клімату в залізничних вагонах, а через десять років був випущений з конвеєра перший автомобіль «Паккард», обладнаний кондиціонером.

У приватних будинках та квартирах кондиціонер з’явився в 30-х роках, але до 1951 року залишався дорогою розкішшю для більшості американців. Ситуація змінилася лише з появою на ринку нового дешевого апарату, який встановлювали у віконному отворі. До 1970 року половина будинків у південних районах країни була оснащена кондиціонерами.

Як тільки принципи роботи різних типів холодильних машин були сформовані, почалося їхнє вдосконалення.

Найвражаючішими є:

– поява до 1930 року перших хлорфторвуглецевих з’єднань, призначених для заміни небезпечних речовин типу сірчаного або метилового ефіру, які використалися на початковому етапі створення холодильної техніки; – створення домашнього холодильного устаткування; – мініатюризація устаткування – так, наприклад, в 1900 р. холодильний компресор із продуктивністю 340 кВт мав масу 46000 кг, у 1990 р. устаткування такою ж продуктивністю, мало масу близько 1500 кг, а у 2020 р. ‒ близько 500 кг. Крім цього, процес, зазначений вище йшов з підвищенням надійності та коефіцієнта корисної дії; – впровадження мікропроцесорів, які, будучи оснащені пам’яттю й заздалегідь запрограмовані, здатні виконувати різні команди, тим самим заміняючи людину; – розвиток передових технологій.

Група вчених з Національної лабораторії Лоуренса та Каліфорнійського університету в Берклі зосередилися на винаході принципово нового способу охолодження, який був би не тільки ефективним і менш витратним, але й залишався більш дружнім для навколишнього середовища.

Новий метод, розроблений дослідниками, називається іонокалоричним охолодженням ‒ у ньому використовуються переваги накопичення та вивільнення енергії під час зміни фази матеріалу, наприклад, коли вода переходить з твердого стану в рідкий.

Однин із способів змусити кригу танути без нагріву ‒ додати кілька заряджених частинок або іонів. Найпоширенішим прикладом цього в дії є посипання льоду сіллю взимку ‒ отже, іонокалоричний цикл також використовує сіль для зміни фази рідини та охолодження навколишнього середовища.

Вчені розробили модель, в якій струм, що проходить через систему, переміщував би в ній іони, тим самим зрушуючи точку плавлення матеріалу, щоб змінити температуру. Пізніше дослідники підтвердили теорію лабораторними експериментами з використанням солі (приготовленої з йоду та натрію). У ході експериментів вченим вдалося відтворити зсув температури на 25 ^оС за рахунок менш ніж одного вольта заряду електрики.

Від льохів до холодильників: історія холоду на службі у людини Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=e9KNfZGPhAw&t=634s

1.2. Промислові технології із застосуванням холоду

Основне призначення процесів охолодження – відведення тепла на відносно низькому температурному рівні та підведення його до теплоприймача на більш високому температурному рівні. У всіх таких системах, на відміну від теплосилових, здійснюються не прямі, а зворотні цикли. Вони не виробляють енергію, а споживають її для отримання відповідного технологічного, або іншого, корисного ефекту.

В основі застосування холоду для різних виробничих цілей лежить той факт, що багато фізичних, хімічних, біологічних та інших процесів, які відбуваються за низьких температур, суттєво відрізняються від того, як вони проходять за звичайних умов. Як загальне правило, всі ці процеси під час низьких температур, значно сповільнюються, а деякі з них (наприклад, життєдіяльність окремих видів бактерій) припиняються. Існують, однак, процеси, які за низьких температур протікають інтенсивніше, ніж за високих (наприклад, перетворення аустеніту в мартенсит під час гартування високолегованих інструментальних сталей). Зниження температури, під час якої відбувається реакція, дозволяє одержувати полімери з більш високою молекулярною вагою, тобто більш міцні й пружні. За низьких температур змінюються властивості багатьох матеріалів. Так, деякі сталі за температури нижче - 30 ‒ - 40 ^оС стають менш пластичними й більш крихкими, а в міді й алюмінію, навпаки, за тих самих температур підвищується пластичність, вони стають більш в’язкими.

Поняття «техніка» пов'язане із творчим характером праці. Воно походить від слова «техне», яким у Давній Греції характеризували ремісників, що особливо прославилися своєю працею, чого ми бажаємо й тобі. А саме слово інженер – французького походження – передбачає людину, яка здатна творчо, на високому науковому й технічному рівні вирішувати завдання та проблеми, які ставлять перед людиною холодильні технології, застосування яких з кожним роком поширюється.

Холодильні установки призначені для для процесів пов’язанних зі зниженням температури газів, рідин, твердих тіл та підтримання їх на необхідному температурному рівні.

	Холодильні установки
– це комплекс з холодильними машинами, апаратами та спорудами, призначений для одержання, транспортування й використання штучного холоду в технологічних процесах у харчовій, хімічній, металургійній, гірничій, нафтовій, газовій і медичній промисловості. Холодильні установки використовують також для акумулювання, транспортування й зберігання вторинних енергоресурсів.

Кожна холодильна установка, крім основних (обов’язкових) елементів – компресора, випарника, конденсатора і дроселюючого органу (терморегулюючого вентиля ТРВ), має і допоміжні апарати й механізми, а також запірну й регулювальну арматури та з’єднувальні трубопроводи (рис 1.7).

Рис. 1.7. Схема холодильної установки

Обов’язкові елементи забезпечують здійснення зворотного термодинамічного циклу, а допоміжне устаткування необхідне для створення умов тривалої й безперебійної роботи холодильної установки, полегшення регулювання робочого процесу, підвищення економічності роботи установки.

Принцип дії компресійної холодильної установки Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=A2W7oFwobMI

Сучасні холодильні установки дозволяють відводити тепло за будь-яких температур, навіть близьких до абсолютного нуля, та в таких кількостях, які забезпечують потреби промисловості й наукових досліджень.

Холод до 120 К, що отримують у холодильних установках, використовується для різних цілей, як от:

– у сільському господарстві й харчовій промисловості – під час заготівлі й переробки сировини, що швидко псується, виробництва й зберігання продуктів (рис. 1.8), а також під час сублімаційного сушіння (рис. 1.9);

Рис. 1.8. Холодильні камери для зберігання ягідної продукції

Рис. 1.9. Апарат для сублімаційної сушки

Промислова холодильна камера Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=5GRWrrAzhBE&t=18s

– у торговельній мережі, на підприємствах громадського харчування та у побуті (рис. 1.10);
Рис. 1.10. Холодильники для зберігання продуктів харчування у торговельній мережі, на підприємствах громадського харчування та у побуті
– для зберігання та транспортування харчових продуктів (рис. 1.11);
Рис. 1.11. Рефрижератор для транспортування харчових продуктів
– на виробництві та у побуті – для кондиціювання повітря у виробничих, громадських та житлових приміщеннях, тобто для підтримки умов, що забезпечують вимоги технологічного процесу й сприятливо позначаються на самопочутті людей (рис. 1.12, 1.13);
Рис. 1.12. Побутові та промислові кондиціонери	Рис. 1.13. Промислові чіллери з водяним охолодженням
– у техніці водопостачання для процесу опріснення морської та засоленої води; – на залізничному й автомобільному транспорті – під час перевезення продуктів, що швидко псуються (рис. 1.14);
Рис. 1.14. Контейнер-рефрижератор
– у морському й річковому флоті – для заморожування та зберігання риби та морських тварин (рис. 1.15);
Рис. 1.15. Швидкоморозильні тунелі
– у медичній, біологічній та фармацевтичній галузях промисловості – під час виробництва й зберігання біологічних продуктів, а також під час виготовлення ліків, що містять летучі речовини (пеніцилін, стрептоміцин, ефір, хлороформ та ін.);

Промислова холодильна камера для медикаментів Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=NwoypuBj_jU

– під час виробництва штучного волокна й пластмас – для підтримки заданої температури процесу;

– у парфумерній промисловості – для зберігання квітів і ароматичних речовин;

Рис. 1.16. Холодильні установки, що використовуються для зберігання квітів і ароматичних речовин

– у добувній промисловості – під час проходження шахт та будівництва гребель, підземних споруд і тунелів, для заморожування водоносних ґрунтів та пливунів;

– у медицині – для загального охолодження під час використання гіпотермії (рис. 1.17);

Рис. 1.17. Холодильні установки, що використовуются в медицині

– у спорті – для створення штучних крижаних ковзанок (рис. 1.18) та снігових трас (рис. 1.19).

Рис. 1.18. Холодильні установки для створення штучних крижаних ковзанок

Рис. 1.19. Снігова гармата

У багатьох галузях науки й промисловості застосовуються більш низькі температури (нижче 120 К), які забезпечуються кріогенними установками (рис. 1.20), зокрема:

– у металургії – для інтенсифікації процесів під час плавлення сталі, а також виплавки чавуну, феросплавів та кольорових металів за допомогою збагачення дуття киснем, який отримують за низькотемпературної ректифікації повітря. У металургії також використовують технічний кисень (газоподібний і рідкий) та інші продукти ректифікації повітря, зокрема аргон, – для виділення домішок і плавки в інертному середовищі; – у машинобудуванні – для одержання шляхом низькотемпературної ректифікації кисню й інертних газів, необхідних для різання й зварювання металів. Обробка сталі холодом збільшує її твердість і зносостійкість, а також підвищує тягучість під час тонкого волочіння. Низькі температури використовуються також під час дроблення грузлих матеріалів і для створення натягу під час сполучення деталей; – у хімічній промисловості – під час поділу газових сумішей, зокрема повітря, для одержання кисню й азоту, для витягу дейтерію з технічного водню (рис. 1.16). Кріотемператури використовуються також для конденсації пари, осушення газів, поділу складних розчинів, кристалізації солей, регулювання напрямку й швидкості хімічних реакцій, зберігання низькокиплячих рідин; – у газовій промисловості – для поділу газових сумішей, зокрема виділення гелію, а також для одержання, зберігання й транспортування охолоджених і рідких природного та інших газів; – у авіації й космонавтиці – для одержання палива (наприклад, рідкого водню) і окиснювачів (наприклад, рідкого кисню), а також для забезпечення киснем людей, що працюють на великій висоті й у космосі; – у медицині – для хірургічного лікування різних захворювань шляхом деструкції біологічних тканин за низьких температур (кріомедицина);

Рис. 1.20. Кріогенні установки CRYOLINE
Рис. 1.21. Кріогенні повітророзподільні установки

Лабораторія-музей кріогенної техніки ОНАХТ Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=TLyLn4PH3sE

– у науково-дослідних установах і лабораторіях – для підтримки низької температури досліджуваних тіл, створення глибокого вакууму (аж до космічного), виготовлення приладів та установок для фізичних досліджень, зокрема таких, як прискорювачі елементарних часток, «токамаки» та ін.

Трансформатори тепла, у яких здійснюються теплонасосні й комбіновані процеси, мають поки що відносно обмежене застосування.

У сучасних умовах теплові насоси доцільно використовувати для опалення й гарячого водопостачання у районах, що мають низькопотенційні джерела тепла. Крім того, вони можуть знайти застосування у районах з жарким кліматом, як установки для теплопостачання в опалювальний період та як холодильні установки в літній період для охолодження повітря. Трансформатори тепла використовуються так само в технологічних установках хімічної, харчової та інших галузях промисловості, де є процеси ректифікації, сушіння, сублімації та ін., пов’язані з підігрівом до температур не вище 400–500 К.

Комбіновані трансформатори тепла використовуються в тих випадках, коли економічно вигідне сполучення нагрівання й охолодження в одній системі.

З 2016 року ізраїльський стартап SolCold презентував інноваційну технологію охолодження салону автомобіля. Спеціальне плівкове покриття нанотек дозволяє забути про кондиціонер навіть у сильну спеку.

	Воно працює за принципом антистоксової люмінесценції, тобто віддає більше тепла, ніж поглинає. Результатом віддачі енергії є охолодження поверхні. Багатошаровий нанотек (рис. 1.22) має потужність охолодження в 100 Вт на 0,3 м2 та здатний знижувати температуру салону на 20‒70%.
Рис. 1.22. Плівкове покриття нанотек

Можливості нанотеку продемонстрували на Volkswagen Polo. Обклеєний плівкою хетчбек вивезли до пустелі та залишили на сонці. В результаті, салон не тільки не нагрівся ‒ всередині авто температура виявилася на 14 градусів нижчою, ніж зовні. Водночас, якщо поставити авто в тінь, то в салоні буде спекотніше, ніж в авто на сонці, адже тепловіддача зменшиться.

1.3. Класифікація холодильних установок

Установки для трансформації тепла можуть класифікуватися за низкою ознак: за принципом роботи, характером трансформації, характером протікання процесів у часі. За принципом роботи установки для трансформації тепла можна поділити на два види: термомеханічні системи, принцип роботи яких заснований на використанні процесів підвищення й зниження тиску будь-якого робочого тіла, і електромагнітні системи, принцип роботи яких заснований на використанні постійних або змінних електричних або магнітних полів.

Установки першого виду, найпоширеніші, залежно від способу підвищення тиску робочого тіла діляться на три групи: компресійні, сорбційні й струминні.

Типи холодильних машин Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=9ZJ5Sk05ej4

Принцип роботи компресійних установок, заснований на підвищенні тиску за допомогою механічного або термічного впливу на робочий агент.

Рис. 1.23. Види компресійних установок

У парорідинних та газорідинних установках агрегатний стан агента в процесі роботи змінюється (конденсація стислого й випар розширеного агента). У першому випадку стиснення відбувається за температур нижче критичної (в області пари) та близьких до неї; у другому ‒ за температур, що істотно перевищують критичну.

У газових установках агрегатний стан агента в процесі роботи не змінюється, оскільки скрізь температура робочого тіла більше критичної.

У компресійних установках використовується електрична або механічна енергія.

У деяких випадках, наприклад, у так званих термомеханічних компресорах, стиск здійснюється шляхом використання потоку тепла за Т>> Т_кр.

Процеси підвищення потенціалу теплоти класифікуються залежно від положення температурних рівнів: верхнього – теплоприймача Т_в і нижнього – тепловіддавача Т_н відносно температури навколишнього середовища Т_н.с. , прийнятої в більшості випадків рівною 20 °С (293 К).

У тому випадку, коли температура тепловіддавача нижча температури навколишнього середовища Т_н < Т_н.с , а теплоприймача дорівнює цій температурі Т_в » Т_н.с , то система, що здійснює відведення теплоти, (трансформатор теплоти) називається рефрижератором (клас R – від англійського слова refrigeration ‒ охолодження).

Якщо Тн ³ Тн.с і Тв > Тн.с, відповідний трансформатор теплоти називається тепловим насосом (рис. 1.25) (клас Н – від англійського слова hеаt ‒ теплота).

Якщо Тн < Тн.с і Тв > Тн.с , то трансформатор теплоти здійснює обидві функції – і рефрижератора, і теплового насоса, в такому випадку він називається комбінованим (клас RН).

Рис. 1.24. Загальний вигляд теплового насоса

В основному, робота рефрижератора полягає у виробленні холоду, тобто відведенні в навколишнє середовище теплоти від об’єктів, температура Тн яких нижча температури навколишнього середовища.

Залежно від рівня Тн рефрижератори поділяються на дві підгрупи: якщо Тн > 120 К, то відповідні системи називаються холодильними, якщо Тн < 120 К – кріогенними.

Теплонасосна система призначена для використання теплоти, що відводиться від навколишнього середовища чи іншого низькопотенціального джерела, наприклад, відпрацьованої води чи пари, для побутового або технологічного теплопостачання – підведення теплоти при Тв > Тн.с. Зазвичай Тв не перевищує 400‒450 °С, оскільки теплоту більш високого потенціалу, як правило, вигідніше отримувати за рахунок використання хімічного чи ядерного палива.

Теплоприймачем – охолодним середовищем, до якого відводиться тепло від охолоджуваного об’єкта, у холодильних системах слугує звичайно, навколишнє середовище (атмосферне повітря, вода, грунт), у теплонасосних та комбінованих системах – опалювальні приміщення або елементи технологічних приладів, які використовують для обігріву.

Очевидно, що процеси в усіх трансформаторах тепла трьох описаних видів незалежно від конкретної схеми, мають моделюватися зворотними термодинамічними циклами. У загальному вигляді такі зворотні цикли на Тs-діаграмі (температура – ентропія) зображено на рис. 1.25. Про поняття ентропії йтиметься далі.

Рис. 1.25. Принципова схема циклів трансформаторів тепла на Тs-діаграмі: а – холодильний цикл; б – цикл теплового насоса; в – комбінований цикл

У процесі 1‒2 тепло відводиться або у навколишнє середовище (рис. 1.25 а), або в опалюване приміщення (рис. 1.25 б, в) зі зменшенням ентропії. У процесі 3‒4 тепло підводиться до робочого тіла зі зростанням ентропії. Процеси 2‒3 і 4‒1, що відбуваються відповідно зі зниженням та підвищенням температури робочого тіла, можуть проводитися найрізноманітнішими засобами, з використанням різних робочих тіл. Однак у всіх випадках зміни ентропії й температур, перераховані вище, неминуче здійснюються з виконанням над робочим тілом роботи А. У верхній частині циклів, де тепло навколишнього середовища Q_н.с або тепло теплоприймача Q_в віддається робочим тілом, його температура має бути вища Т_н.с або Т_в, у нижній, навпаки, робоче тіло, що одержує тепло тепловіддавача Q₀ або Q_н.с, повинне мати температуру нижче Т_н або Т_н.с. Треба звернути увагу на те, що незалежно від виду трансформатора тепла, цикли здійснюються з витратою зовнішньої енергії. Саме цим зворотні цикли істотно відрізняються від прямих, у яких головним є надбання корисної роботи.

Принцип роботи сорбційних установок заснований на підвищенні тиску робочого тіла під час послідовного здійснення термохімічних реакцій поглинання (сорбції) робочого агента відповідним сорбентом з відводом тепла, а потім виділення (десорбції) робочого агента із сорбенту, що супроводжується підведенням тепла. У цих установках використовується властивість пари деяких речовин змінювати температуру під час адіабатного змішання (екзо- і ендотермічне змішання) або відповідно виділяти чи поглинати тепло в ізотермічних умовах.

За допомогою процесів сорбції й десорбції у сорбційних установках виконуються функції, аналогічні процесам усмоктування й нагнітання, під час використання механічних або термомеханічниих компресорів. Такий спосіб компресії називається термохімічним.

Сорбційні установки поділяються на абсорбційні й адсорбційні. В абсорбційних установках (рис. 1.26) сорбція здійснюється в масі (всередині) абсорбенту через границю розділу рідкої й парової фаз. В адсорбційних установках (рис. 1.27) процес сорбції відбувається на розвиненій поверхні адсорбенту, що перебуває, як правило, у твердому вигляді.

Рис. 1.26. Загальний вигляд абсорбційної холодильної установки

Рис. 1.27. Загальний вигляд адсорбційного холодильника

Струминні установки засновані на використанні кінетичної енергії потоку пари або газу для підвищення тиску робочого агента. Струмінь пари або газу, що виходить з великою швидкістю з сопла, створює ежектуючий ефект, у результаті якого відбувається усмоктування, а потім стиск робочого тіла.

Струминні установки за характером зміни стану робочого тіла звичайно належать до парорідинних.

Серед установок другого виду, тобто електромагнітних установок, знайшли деяке практичне застосування такі типи трансформаторів тепла:

– термоелектричні системи, засновані на ефекті Пельтьє. Процес трансформації тепла в цих установках здійснюється шляхом безпосереднього використання постійного електричного поля в послідовно з'єднаних різнорідних напівпровідниках (напівпровідникові трансформатори тепла). Під час пропущення через ці елементи електричного струму на спаях між ними виникає різниця температур. Під час підведення до холодних спаїв тепла низького потенціалу від гарячих спаїв відводиться тепло підвищеного потенціалу; – магнітокалоричні системи, у яких процес трансформації тепла здійснюється послідовним намагнічуванням і розмагнічуванням парамагнетиків або феромагнітних тіл, температура яких підвищується під час збільшення напруженості магнітного поля й знижується під час її зменшення.

За характером протікання процесу в часі, установки діляться на дві групи – безперервної та періодичної дії.

Перші ‒ працюють безупинно протягом усього терміну між плановими зупинками; їхні характеристики змінюються тільки в межах, обумовлених регулюванням.

Другі ‒ періодично, за певним тимчасовим графіком, коли періоди одержання холоду (або тепла) чергуються з періодами, коли холод (або тепло) не виробляється. Установки періодичної дії звичайно термодинамічно менш ефективні, але економічно часто можуть бути більш вигідними через менші габарити й меншу кількість елементів устаткування, завдяки можливості сполучення різних функцій в одному апараті.

Розглядаючи режими роботи холодильних установок, варто вказати на умовність у визначенні стаціонарного режиму. Практично, режим роботи холодильної установки завжди нестаціонарний, тому що спостерігаються коливання температури із заданою амплітудою біля середнього її значення. Такі режими характерні для холодильних установок розподільних (торговельних), виробничих холодильників.

	Нестаціонарні режими властиві установкам і системам, що обробляють тіла, у яких протікають процеси з фазовими переходами й переміщенням зони проморожування. Температурний режим залежить від зміни теплового навантаження. Останнє змінюється за різними законами, особливо за циклічних процесів завантаження апаратів або камер для заморожування. Для згладжування теплового навантаження і його стабілізації застосовують акумулятори холоду (рис. 1.28).
Рис. 1.28. Акумулятори холоду

Розглядаючи особливості холодильних установок залежно від використаного робочого тіла, слід зазначити, що їхня специфіка визначається властивостями холодоагентів. Однокомпонентні чисті холодоагенти, що перебувають у експлуатації в сучасних холодильних установках, добре вивчені, та є достатня кількість рекомендацій, що відображають специфіку холодильних установок. У Монреалі підписано міжнародну угоду (1986 р.), що передбачає поступове вилучення застосування хлорфторвуглеводнів у побуті й у промисловості через руйнування озонового шару в атмосфері Землі. Виконуючи Монреальську угоду, у нашій країні ведеться робота з заміни фреонів, що сильно впливають на озоновий шар в атмосфері.

Нині основне промислове застосування знайшли холодильні установки компресійного, сорбційного (абсорбційного) і струминного (ежекторного) типів; особливо широко використовуються компресійні установки, на яких ми і зосередимо свою увагу.

	Питання для самоконтролю
1. Дайте визначення поняття «охолодження» 2. За якими ознаками класифікують холодильні установки? 3. На чому засновано роботу компресійних холодильних машин? 4. На чому засновано роботу абсорбційних холодильних машин? 5. Як впливає специфіка промислових технологій на вид холодильної установки? 6. У чому різниця між абсорбційними і адсорбційними холодильними машинами?

Попередня тема

На початок

Наступна тема