Конструирование и оптимизация техники, реализующей технологии охлаждения основаны на теории термодинамики и теплоотдачи. Холодильную технику часто называют тепловыми насосами, перекачивающими тепло. Принцип работы любой холодильной машины (на каком бы физическом явлении он не был основан) заключается в переносе тепла от одного объекта к другому. Например, в случае охлаждения продуктов: тепло отнимается от продукта и передается в окружающую среду (воздух), в случае охлаждения воздуха тепло отнимается от «внутреннего» воздуха помещения и передается «внешнему» воздуху, за пределами здания. Перенос тепла из одной точки в другую (а так же преобразование теплоты в работу и, наоборот) в тепловых машинах (холодильники, двигатели внутреннего сгорания, дизели и т.д.) осуществляется носителем тепла (рабочим теплом).
В зависимости от принципа работы, реализуемого в холодильных машинах, и теплоносителя холодильные машины бывают различными. У холодильных машин компрессионного типа теплоносителями являются хладагенты - газы, жидкости которых кипят при отрицательных температурах. Техника абсорбционного типа так же использует в качестве теплоносителей хладагент - газ аммиак легко растворимый в воде. В технике -термоэлектрического типа в качестве теплоносителя выступает электрический ток (направленное движение заряженных частиц).
|
|
Эффективность работы холодильных машин основана на втором законе термодинамики, согласно которому для осуществления кругового процесса, обеспечивающего отнятие тепла от холодной (охлаждаемой) среды и передача его более теплой среде, требует совершение механической работы или затраты теплоты, которая переходит с высшего температурного уровня на более низкий. В тепловых машинах компрессионного и абсорбционного типов это осуществляется путем периодического изменения состояния рабочего тела (теплоносителя). В результате совершения кругового процесса рабочее тело возвращается в исходное состояние. При этом в ходе процесса оно расширятся и сжимается. Процесс может продолжаться до необходимого уровня теплоты. Чем большая часть теплоты в прямом цикле (от горячего к холодному) приведена в работу, тем он эффективнее. Экономичность прямого цикла оценивается термическими КПД, который определяется отношением работы, полученной в цикле, к затраченному теплу [1]:
(2.1)
где А -совершенная работа; Qр, -подведенное (затраченное) тепло; Q2 - отведенное тепло.
В обратном цикле к рабочему телу подводится теплота от источника с более низкой температурой (Q2), а отводится с более высокой (Q1,). Для совершения цикла затрачивается работа (А). Для холодильных машин введено понятие холодильного КПД, определяемого отношением отводимой в обратном цикле теплоты (Q2) к затраченной работе (А) [1]:
|
|
Холодильная машина - это устройство, служащее для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Холодильная машина используются для получения температур от -10 °С до -150 °С. Область более низких температур относится к криогенной технике. Холодильные машины работают по принципу теплового насоса - отнимают теплоту от охлаждаемого тела и с затратой энергии (механической, тепловой и т.д.) передают её охлаждающей среде (обычно воде или окружающему воздуху), имеющей более высокую температуру, чем охлаждаемое тело. Работа холодильной машины характеризуется их холодопроизводительностью, которая для современных машин лежит в пределах от нескольких сотен Вт до нескольких МВт.
В холодильной технике находят применение несколько систем холодильных машин - парокомпрессионные, абсорбционные, пароэжекторные, воздушно-расширительные, работа которых основана на том, что рабочее тело (холодильный агент) за счёт затраты внешней работы совершает обратный круговой термодинамический процесс (холодильный цикл), а также термоэлектрические, в которых роль рабочего тела играет электрический ток. В парокомпрессионных, абсорбционных и пароэжекторных холодильных машинах для получения эффекта охлаждения используют кипение низкокипящих жидкостей, В воздушно-расширительных холодильных машинах охлаждение достигается за счёт расширения сжатого воздуха в детандере.
Первые холодильная машина появились в середине 19 века. Одна из старейших холодильных машин - абсорбционная. Её изобретение и конструктивное оформление связано с именами Дж. Лесли (Великобритания, 1810), Ф. Карре (Франция. 1850) и Ф. Виндхаузена (Германия, 1878). Первая парокомпрессионная машина, работавшая на эфире, построена Дж. Перкинсом (Великобритания, 1834). Позднее были созданы аналогичные машины с использованием в качестве хладагента метилового эфира и сернистого ангидрида. В 1874 К. Линде (Германия) построил аммиачную парокомпрессионную холодильную машину, которая положила начало холодильному машиностроению.