Тепловой насос – тепло из холода. Холод из тепла "Ледяные дороги" и не только

Статья из белорусской республиканской газеты "Звязда" в переводе на русский язык.

Представьте многоэтажку, да не просто многоэтажку, а целый небоскреб, который бы отапливался... энергией грунта (геотермальной энергией). И для этого совсем не надо "сажать" такой дом на разломе геологических плит, у жерла вулкана. Горячие батареи и теплые полы на всех этажах за счет энергии земли можно обеспечить и в наших широтах. Главное - знать, как правильно подойти к делу и какую технологию применить. Весь секрет - в тепловых трубах .

Простая физика

Все мы помним из школы о трех физических состояниях воды - твердое, жидкое и газообразное (пар). Знаем, что при нагревании жидкость становится газом, а тот, когда остывает, конденсируется в жидкость. На этом простом эффекте и основан принцип действия тепловой трубы. Внутри закрытой трубки из сверхпроводящего металла (например, меди) находится жидкость, которая легко выпаривается. Один конец трубки нагревается. Перенос тепла происходит за счет того, что жидкость выпаривается на горячем боку трубки, поглощая тепло выпаривания, и конденсируется на холодной, после чего стекает на горячую сторону.

Если трубка полая, то сконденсированная жидкость возвращается в зону испарения под воздействием силы тяжести (такая трубка будет работать только в вертикальном или близком к нему состоянии). Внутри современных тепловых трубок находится наполнитель. Такие трубки работают практически в любом положении, так как для возвращения жидкости в зону испарения используются капиллярные силы (такой же капиллярный эффект можно увидеть, если положить губку в лужу, - вода наполнит поры губки).

Основной принцип действия тепловых труб, основанный на использовании гравитации , был изобретен еще в век пара. Современные концепции, которые базируются на использовании капиллярного эффекта, были предложены Р. С. Гауглером из General Motors в 1942 году. Позже он запатентовал эту идею. Независимо от него преимущества капиллярных систем были продемонстрированы Джорджем Гровером из Los Alamos National Laboratory в 1963-м.

Сегодня над совершенствованием тепловых труб работают ученые всего мира. Круг применения этой технологии исключительно широкий - от космических аппаратов до холодильников. Свой значительный вклад в развитие этого научного направления внесли и белорусы. Про наиболее интересные и перспективные отечественные разработки наш корреспондент побеседовал с основателем научной школы в области тепловых труб в нашей стране, заведующим лабораторией пористых сред Института тепло- и массообмена имени Лыкова НАН Беларуси, лауреатом Госпремии и премии Совета Министров СССР, президентом ассоциации стран СНГ "Тепловые трубы", владельцем престижной международной награды - золотой медали Гровера - профессором Леонардом Васильевым .

Система термобезопасности

Если говорить упрощенно, тепловая труба - это аналог сверхпроводника электричества , по которому электроэнергия передается без потерь на расстояние, - пояснил Леонард Леонидович. - Здесь мы имеем дело с тепловым сверхпроводником, который без потерь передает на расстояние (причем довольно значительное - в сотни метров) тепловую энергию.

Сейчас в мире активно разрабатываются проекты с применением тепловых труб, которые позволяют эффективно использовать энергию альтернативных и возобновляемых источников энергии , в частности, грунта. Уже осуществляются конкретные работы по передаче тепловой энергии из глубин земли на поверхность для того, чтобы обогревать многоэтажные здания за счет геотермальной энергии .

В общем, с помощью тепловых труб мы можем охлаждать, нагревать и регулировать температуру в пределах необходимой. И все это может осуществляться в самом широком температурном диапазоне. Такие сверхпроводники тепла могут использоваться как при температурах, близких к абсолютному нулю (в таких тепловых трубках применяются сверхтекучий гелий, жидкий водород), так и при высоких температурах (тогда наполнителями становятся щелочные металлы - натрий, калий). Температурный диапазон составляет 1000 градусов.

Наиболее дешевый и доступный наполнитель - вода . Именно она применяется во всех теплообменных устройствах, используемых для нашего комфорта (например, в системах отопления помещений), в технологических процессах (таких как сушка, термообработка пищевых продуктов) и т.д.

По словам ученого, тепловые трубы абсолютно вне конкуренции, когда речь идет об охлаждении электроники, в первую очередь компьютеров: подавляющее большинство ПК имеет систему охлаждения на тепловых трубах. То же касается и космических аппаратов: практически все искусственные спутники Земли имеют систему теплорегулирования на тепловых трубах.

Электроника не любит высоких температур, - рассказал профессор. - Допустим диапазон нагрева электронных приборов составляет 100-120 градусов, поэтому очень важно гарантировать отсутствие перегрева и выхода электроники из строя. Что и делают тепловые трубы, создавая своеобразную "систему термобезопасности".

Для большей наглядности Леонард Леонидович демонстрирует различные образцы тепловых труб. Вот алюминиевая труба для космических аппаратов, которая охлаждает электронику. На одном ее конце крепится электроника, а второй контактирует с радиатором, через который излишки тепловой энергии "выбрасываются" в космос. Изнутри труба имеет капиллярную структуру - бороздки, которые заполняются жидким аммиаком или пропиленом. А вот тепловая труба для использования в компьютере - гораздо меньших размеров, медная, с никелевым напылением. В общем, по конструкции тепловые трубы могут быть самыми разными. Сегодня существует несколько десятков вариантов.

"Ледяные дороги" и не только

За годы работы сотрудники лаборатории пористых сред под руководством профессора Васильева разработали и внедрили в народное хозяйство десятки новых конструкций тепловых труб, испарителей, конденсаторов и устройств для их применения, основными из которых можно назвать тепловые трубы для нагрева, охлаждения и терморегулирования радиоэлектронной аппаратуры, литейных форм, аккумуляторов электричества, шахтных, защищенных от взрыва трансформаторов; термопластификаторов деталей машин и медицинских вращающихся приборов; тепловые трубы для работы в зоне вечной мерзлоты, в теплицах при намерзании ледяных опор в шахтах и т.д. Получили около 300 авторских свидетельств СССР на изобретения, 12 зарубежных патентов, 6 патентов Республики Беларусь.

Леонард Леонидович листает большой фотоальбом, где размещены фотографии разработок лаборатории за разные годы. Вот, например, удивительное фото: длинные тепловые трубы, наполовину закопанные в болото. Вокруг - пустота. Зачем они там? Оказалось, это "ледяные дороги " (тепловые трубы, которые использовались в Сибири для замораживания болот, чтобы по ним можно было проехать тягачам; зимой трубы отводили тепло грунта, и болото замерзало).

Вот еще одно интересное применение тепловых труб - на железнодорожных "стрелках" . Зимой на стрелочных переводах может появиться наледь, образуется риск плохого смыкания, что может обернуться аварией. А если под стрелку подвести тепловую трубу в несколько метров и закопать ее в землю, то благодаря теплу земли можно обеспечить подогрев стрелки и избежать обледенения. Обходчику не нужно раз за разом долбить лед. Просто и эффективно.

Активные и пассивные

В последнее время в научном мире много разговоров ведется про нанотехнологии. В частности, об использовании в тепловых трубах наножидкостей (жидкостей с исключительно малыми размерами частиц), - рассказывает заведующий лабораторией. - В тепловой трубе каким-то образом нужно создать капиллярную структуру. Если мы применим наножидкость, то сможем создать наиболее оптимальный пористый рельеф на внутренней поверхности трубы. Тогда тепловой обмен будет максимально эффективным.

Это очень полезно для медицины: с помощью микрошунтов можно будет понижать или повышать температуру человеческого тела, проводить бескровные операции, воздействовать на энергоактивные точки тела (локально нагревать или охлаждать).

Замечу, что мы только приходим к использованию искусственно созданных микротепловых труб, а в природе они существуют в естественном состоянии (система терморегулирования скота и человека осуществляется по принципу микротепловых труб).

Еще одно интересное направление, которое вспомнил профессор, - сорбционные тепловые трубы , где помимо обычного капиллярного фитиля есть еще и сорбент - пористое вещество, позволяющее связывать молекулы пара в твердом состоянии. В такой трубе работает несколько сил: капиллярные и сорбционные, соответственно получается двойной тепловой эффект .

Можно передавать вдвое большую энергию, чем в обычных тепловых трубах , - добавил Леонард Васильев. - Кроме того, это уже тепловые трубы активного терморегулирования , в отличие от обычных - с пассивным терморегулированием . Появляется возможность активно использовать тепло для получения холода (например, в космических аппаратах).

Короче говоря, разработок много. Дело - за внедрением. Нужны инвестиции, которые бы дали возможность внедрять на наших предприятиях новые технологии и оборудование. А научный потенциал у нас, слава Богу, есть.

Инга Миндалёва. Газета «Звязда», 28 января 2012 года.
Оригинал на белорусском языке: zvyazda.minsk.by/ru/archive/article.php?id=92453&idate=2012-01-28

В нашем воображении само понятие «теплофизика» обычно связывается с производством тепла, эффективностью сжигания топлива, с получением энергии. Понятно, что для жителей Сибири тепло стоит на более важном месте, нежели холод. Тем не менее, производство холода – это тоже одна из актуальных задач для ученых, работающих в области теплофизики. И самое примечательное – для производства холода они предлагают привлекать всё то же тепло!

Зачем нужно производить холод, думаю, многим из нас понятно. Холод нужен для хранения продуктов, для создания благоприятного микроклимата в помещениях, для определенных производственных процессов. У каждого из нас в доме стоит холодильник, все нормальные общественные здания оборудованы кондиционерами. Представьте себе кафе, магазин, гостиницу или бизнес-центр без кондиционера, и вы поймете, что система охлаждения не менее важна, чем система отопления, даже если речь идет о Сибири. Зимой, ясное дело, мы нуждаемся в тепле. А летом? Лето в наших краях тоже иногда бьет рекорды по жаре. А уж про южные страны и говорить нечего.

Короче говоря, современные параметры комфорта и потребность в хранении продуктов так или иначе требуют производства холода. И надо сказать, что из года в год потребность в искусственном холоде увеличивается как в России, так и за рубежом.

Как производят холод? На сегодняшний день существует два основных типа холодильных машин – парокомпрессионные холодильные машины и абсорбционные бромистолитиевые машины. Первый тип нам хорошо известен – так устроены наши бытовые холодильники, работающие от электросети. Работа таких машин основана на изменении агрегатных состояний холодильного агента – хладона (фреона) – под воздействием механической энергии. Для превращения электрической энергии в механическую здесь, как мы знаем, используются компрессоры.

Что касается холодильных машин второго типа, то их работа основана на химическом взаимодействии веществ рабочей пары – абсорбента и хладогента, и изменении агрегатного состояния хладогента под воздействием тепловой энергии. Иначе говоря, для своей работы такие машины используют тепло.

И вот здесь мы как раз и подходим к самому важному моменту, касающемуся холодильных машин второго типа. Так вот, если в первом случае нам для производства холода необходимо тратить электроэнергию, то во втором случае мы вполне можем использовать «лишнее» тепло, которое при иных обстоятельствах очень часто вылетает в трубу (в буквальном смысле). Конечно, греющими источниками для таких машин могут служить и обычные энергоресурсы – газ или мазут, но также можно вовсю использовать пар из котельных, промежуточные отборы ТЭЦ, горячую воду, дымовые газы или отходящие пары производств. Иначе говоря, тепло, выбрасываемое в атмосферу, благодаря абсорбционным машинам вполне пригодно для производства холода. То есть, в этом случае нет необходимости тратить ценные энергоресурсы - достаточно рачительно использовать «излишки» тепла, коих особенно много образуется как раз в летний период, когда имеет смысл охлаждать помещения.

Надо сказать, что экономичность – это одно из важнейших преимуществ абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин перед парокомпрессионными. Как мы понимаем, в условиях постоянного роста тарифов на электроэнергию это становится особенно важно.

Другое немаловажное преимущество – экологичность, связанная с отсутствием хладонов (фреонов), применение которых ограничено во многих странах в соответствии с Монреальским и Киотским протоколами. На бромистолитиевые машины подобные ограничения не распространяются. Используемый здесь в качестве абсорбента водный раствор бромистого лития является нелетучим и нетоксичным, относящимся к малоопасным веществам.

Еще одно преимущество связано с низким уровнем шума при роботе. Также можно упомянуть простоту в обслуживании, длительный срок службы и пожаро- и взрывобезопасность.

Благодаря указанным преимуществам такие машины в состоянии найти широкое применение как в быту, так и в хозяйственной деятельности. Спектр их применения достаточно широк – от металлургических предприятий, атомных электростанций, нефтехимических комбинатов – до тепличных хозяйств, многоквартирных домов, торговых центров и прочих общественных зданий, где требуется создать комфортный микроклимат. И самое важное (подчеркнем еще раз), этого комфорта можно добиться при минимальных затратах электроэнергии!

Разрабатывают ли в нашей стране такие машины? Да, разрабатывают! И даже производят. Как раз такой образец, разработанный специалистами Института теплофизики СО РАН, производится в Кемеровской области. Причем важно заметить, что отечественные машины обладают некоторыми преимуществами в сравнении с иностранными. Например, они, что называется, «подстраиваются» под конкретного потребителя. Наши специалисты используют гибкую систему проектирования и осуществляют сборку на самом объекте. Причем, заказчикам они могут предложить машину очень большой мощности – до 5,3 МВт. Кроме того, учитывая сложные реалии, разработчики предусмотрели – специально для аварийных случаев – дублирование автоматической системы управления ручной системой (с помощью «кнопочек»).

Однако такой индивидуальный подход выявил и свои слабые места. Речь идет о рыночной конкуренции с зарубежными серийными образцами (поступающими, главным образом, – из Китая). Так, зарубежные производители, «штампующие» такие машины на конвейере, в состоянии прибегнуть к демпингу. А если говорить о китайцах, то те вообще могут рассчитывать на государственную поддержку, осуществляя завоевание российского рынка. Нашим производителям государство помогать не собирается (и не будет).

Так что пока еще о серийном производстве отечественных машин речь не идет. Это, конечно, только в планах. Поэтому в настоящее время (что очень важно), специалисты ИТ СО РАН доводят свое детище до совершенства, максимально подстраиваясь под запросы каждого потребителя. Возможно, в этом индивидуальном подходе есть свой плюс. Не исключено, что такая вот «ручная сборка» когда-нибудь станет показателем высокого качества и будет высоко оценена на рынке.

Процесс понижения температуры тела называется охлаждени­ем. Различают естественное и искусственное охлаждение.

Естественное охлаждение позволяет охладить тело до темпера­туры окружающей среды. Такое охлаждение обеспечивает холод­ная вода или воздух.

Для охлаждения до температуры более низкой, чем температу­ра окружающей среды, применяется искусственное охлаждение, которое можно осуществить с помощью любого физического про­цесса, связанного с отводом теплоты.

Искусственное охлаждение используется при проведении про­цессов абсорбции, кристаллизации, разделения газов, сублима­ционной сушки и кондиционирования воздуха.

С помощью холодильных смесей можно получать довольно низ­кие температуры. Смесь льда и СаС1 2 (до 30 %) позволяет достичь температуры -55 °С. Однако для осуществления охлаждения таким способом требуется много льда и соли, поэтому его применение ограниченно.

В современных холодильных машинах используется свойство ряда низкокипящих сжиженных газов (аммиак, хладоны, диоксид уг­лерода и др.) при испарении поглощать из окружающей среды большое количество теплоты.

Искусственное охлаждение можно разделить на умеренное (до температуры -100 °С) и глубокое (до более низкой температуры).

В промышленности глубокое охлаждение применяют для сжи­жения разделяемых парогазовых и газовых смесей. Полученные таким способом газы широко используются в химической про­мышленности: азот - для получения химических удобрений, кис­лород, метан и этилен - для производства минеральных кислот и т.п.

В установках искусственного холода осуществляют необходи­мое снижение температуры рабочего тела. По агрегатному со­стоянию рабочего тела холодильные установки подразде-

ляют на газовые, газожидкостные, парожидкостные и адсорбционные (с применением твердой фазы).

Искусственное охлаждение в большинстве случаев осуществ­ляется двумя методами:

Испарением низкокипящих жидкостей;

Расширением различных предварительно сжатых газов с по­мощью дросселирования или детандирования.

При испарении низкокипящих жидкостей последние охлажда­ются за счет уменьшения внутренней энергии.

Дросселирование представляет собой процесс расширения газа при его прохождении через сужающее устройство, в результате чего давление газа снижается. Энергия, необходимая для расши­рения газа при дросселировании, когда поступление теплоты из­вне отсутствует, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа. Дроссельный эффект (эффект Джоуля-Том­сона) - это изменение температуры газа при дросселировании в условиях отсутствия теплообмена с окружающей средой.

Детандирование - это расширение газа в расширительной ма­шине - детандере. По своей конструкции этот агрегат аналогичен поршневому компрессору или турбокомпрессору. При детандировании газ охлаждается вследствие снижения внутренней энергии и совершения внешней работы.

Долго люди пользовались только естественным охлаждением. Лишь в начале XIX в., когда ученые открыли новые свойства жидкостей и газов, удалось получить холод искусственно. Сначала искусственный холод применялся только для лучшего сохранения продуктов, но сейчас он стал помощником человека и на производстве. В жаркие дни он охлаждает воздух в заводских цехах, позволяет осуществлять в промышленных масштабах химические реакции, протекающие только при пониженной температуре. Холод применяют для замораживания грунтов при проходке шахт и тоннелей. Замерзший грунт служит хорошей преградой от проникновения воды. На многих заводах холодом обрабатывают сталь. После закалки ее охлаждают до -70° С и выдерживают при такой температуре несколько часов. Металл приобретает мелкозернистую структуру, становится более твердым и не таким хрупким. Теперь трудно назвать область техники, где искусственный холод не нашел бы применения. Прирученный холод стал нашим настоящим помощником и другом и на производстве, и в быту.

Как работают холодильные машины

Каждая жидкость кипит при определенной температуре. Однако температура кипения зависит от давления пара над жидкостью. Понижая давление лара, можно достигнуть понижения температуры кипения. При кипении жидкость - ее называют холодильным
агентом - отнимает тепло у охлаждаемого тела. Эффект охлаждения за счет кипения жидкости используется в паровых холодильных машинах.

Наибольшее распространение получили компрессионные паровые холодильные машины. Машины эти состоят из 4 основных узлов: испарителя, компрессора, конденсатора и регулирующего вентиля, Узлы соединены трубками и представляют собой единую герметичную систему, заполненную легкокипящим холодильным агентом.

Испаритель - это змеевиковая, обычно ребристая снаружи медная трубка. Он расположен непосредственно в шкафу или в камере. Благодаря непрерывному отводу пара в испарителе поддерживается низкое давление. Теплый жидкий холодильный агент, попадая в испаритель, начинает кипеть. Часть жидкости превращается в пар за счет тепла, которое она отбирает у остальной части жидкости. Поэтому температура оставшейся жидкости резко снижается. Оставшаяся жидкость продолжает уже кипеть при низкой температуре (-15° С и ниже), отбирая тепло из воздуха в камере. В результате воздух в камере охлаждается (примерно до 0° С).

Компрессор отсасывает пары из испарителя, поддерживая в нем низкое давление порядка 0,1-0,2 МПа, сжимает их и, направляет в конденсатор, давление в котором примерно 0,6-1 МПа (0,1 МПа = = 10 5 Па = 1 кгс/см 2). На сжатие паров затрачивается работа, и они нагреваются выше температуры окружающей среды. В конденсаторе пары охлаждаются воздухом (или водой) и снова превращаются в жидкость (конденсируются). Затем жидкий холодильный агент проходит через маленькое отверстие регулирующего вентиля. Давление жидкости при этом падает, и она снова поступает в испаритель, где в результате кипения охлаждает воздух в шкафу или камере.

В качестве холодильных агентов используют аммиак, фреон-12 и др.

Фреон-12 применяется в небольших машинах, которые охлаждают шкафы, прилавки и камеры в магазинах, столовых и ресторанах. Аммиак же используют для крупных промышленных холодильных машин.

Наряду с компрессионными существуют и другие типы паровых холодильных машин: эжекторные и абсорбционные (см. рис. на стр. 360 и 361).

В эжекторных машинах для отвода паров из испарителя используется подсасывающий эффект струи пара, которая с большой скоростью проходит через узкое отверстие сопла эжектора. Поскольку сумма кинетической энергии пара (пропорциональная квадрату его скорости) и статического давления пара величина постоянная (уравнение Бернулли), то около струи пара, движущейся с большой скоростью, создается вакуум. Поэтому пары из испарителя по трубке поступают в камеру эжектора. При расширении в диффузоре скорость пара падает и давление его снова растет. При охлаждении в конденсаторе сжатый пар конденсируется. Часть его через вентиль подается снова в испаритель, а часть насосом - в паровой котел, где при кипении создается пар высокого давления (рабочий пар), который поступает в сопло эжектора, и цикл повторяется.

В абсорбционных машинах пары отводятся из испарителя путем поглощения и растворения их жидкостью в специальном аппарате - абсорбере. Насыщенный раствор насосом направляется в генератор, где его подогревают. Пары из раствора при этом выделяются. Слабый раствор через регулирующий вентиль 1 возвращается в абсорбер, а пары поступают в конденсатор. Там, охлаждаясь, они превращаются в жидкость, которая, проходя через регулирующий вентиль 2, снова поступает в испаритель.

В последние годы в холодильной технике внедряется термоэлектрическое охлаждение. На рисунке показана термобатарея, составленная из полупроводниковых элементов - А и В, соединенных медными пластинами М. При прохождении постоянного тока нижний спай пластины М с элементом А нагревается, а верхний охлаждается. У элемента Б холодный спай расположен на входе тока, а не на выходе, но также сверху. Таким образом, одна сторона термобатареи холодная, другая - теплая. Такая термобатарея вставляется в заднюю стенку домашнего холодильника и, отводя тепло от шкафа, через теплую сторону передает его наружу в окружающую среду. Элементы А делают, например, из свинца и теллура, а элементы Б - из сурьмы и теллура.

Термоэлектрические холодильники несколько менее экономичны, чем компрессионные, но зато они бесшумны и более надежны.

Как используют искусственный холод

Для хранения продуктов строят крупные холодильники. Производственный холодильник - это большое здание без окон, со стенами, облицованными изнутри теплоизоляционными материалами с низкой теплопроводностью. Здание разбито на отдельные камеры. В каждой из них хранятся определенные продукты и поддерживается нужная температура. Опыт показал, что для каждого продукта есть вполне определенные границы температуры, позволяющие дольше всего сохранять его вкусовые и питательные качества. Сама холодильная машина расположена в отдельном помещении, а холодильный агент направляется в охлаждающие батареи, расположенные в камерах.

Схема устройства компрессионного холодильника.

Домашний компрессионный холодильник "ЗИЛ".

Принципиальная схема работы пароводяного эжекторного холодильника.

Для хранения и перевозки рыбы используют сударефрижераторы - плавучие холодильники. По железным дорогам скоропортящиеся продукты долгое время перевозили только в вагонах-ледниках. В специальные "карманы" этих вагонов загружали лед. Теперь появились целые поезда-рефрижераторы. В одном вагоне располагаются холодильная машина и двигатель, который приводит ее в действие, другие вагоны - это холодильные камеры. Часто на улицах города можно видеть автомобиль с длинным закрытым серебристым кузовом. Это авторефрижератор. В передней части кузова помещается холодильная машина. Компрессор ее приводится в движение двухтактным мотоциклетным двигателем. Испаритель расположен в холодильной камере, занимающей остальную часть кузова. Для более равномерного охлаждения продуктов в камере помещен вентилятор, создающий циркуляцию воздуха. В таких авторефрижераторах поддерживается температура -16° С.

Схема устройства абсорбционного холодильника.

Термобатарея - основной агрегат термоэлектрических холодильников (а) и схема одного термоэлемента (б).

Свежие продукты, доставленные в города, попадают в магазины, столовые. Там тоже имеются холодильные камеры, шкафы. Они полностью автоматизированы. Для хранения молока, например, требуется температура от 2° до 4° С. При достижении температуры 2° С компрессор автоматически выключается. Когда температура в шкафу из-за притока тепла поднимется до 4° С, давление паров фреона-12 в испарителе возрастет и реле давления снова включит компрессор.

Так же работают и наиболее распространенные домашние компрессионные холодильники: "ЗИЛ", "Минск", "Полюс". Между двойными стенками холодильника проложена изоляция, препятствующая проникновению тепла внутрь. Внутри холодильника в верхней части расположен испаритель. Основные узлы холодильной машины - компрессор с электродвигателем в герметическом кожухе и змеевиковый конденсатор - расположены на задней стенке шкафа. Автоматическое включение и выключение компрессора в тот момент, когда в шкафу достигнута необходимая температура, производит специальное реле температуры. Установив ручку реле температуры на определенном делении шкалы, вы получите нужную температуру в шкафу.

В настоящее время применяются новые методы хранения продуктов. Оказывается, если их заморозить очень быстро, то они гораздо дольше и лучше сохраняют свои вкусовые свойства. Например, свежеиспеченные булочки, став от резкого воздействия холода твердыми, как камень, могут в таком состоянии храниться до 2 месяцев. Если их прогреть 10 мин в духовке, булочки снова станут мягкими и ароматными. Таким же образом можно долго сохранять фрукты, овощи, даже готовые обеды.

Быстрое охлаждение производят в специальных скороморозильных аппаратах. Чтобы ускорить охлаждение, вентилятор гонит в этих аппаратах холодный воздух с очень большой скоростью.

А знаете ли вы, как делают мороженое?

Молоко или сливки смешивают с сахаром и водой, нагревают до 75° С и выдерживают в течение получаса. При этом погибают все микроорганизмы. Затем смесь фильтруют, и с помощью специального насоса давление повышается до 15 МПа. Под таким большим давлением ее с громадной скоростью пропускают через маленькое отверстие, причем на пути помещают твердую преграду. Жировые частички, ударяясь о нее, разбиваются на мельчайшие брызги (до одного микрометра), и смесь становится совершенно однородной.

Схема получения глубокого холода - температур ниже - 120° С.

Теплая масса выливается на трубки охладителя. В верхних трубках протекает холодная вода, а в нижних - холодильный агент с температурой от -5 до -6° С. Смесь охлаждают до +4° С и направляют в холодильный аппарат - фразер. Это горизонтально расположенный цилиндр с двойными стенками, между которыми под низким давлением кипит аммиак. Он охлаждает поступающую смесь до температуры -4°С; одновременно ее взбивают и насыщают воздухом. Вращающиеся ножи снимают с внутренней стенки загустевшую, как сметана, массу. Мороженое разливают в формочки и замораживают при -20 или -25° С. Готовые порции мороженого кладут между двумя вафлями или. обливают шоколадом, после чего остается только завернуть их в бумагу.

Глубокий холод

До сих пор мы говорили об искусственном холоде, применяемом в пищевой промышленности для хранения и транспортировки продуктов питания, где обычно не требуются температуры ниже -40° С. Однако статья об искусственном холоде была бы неполной без рассказа о "глубоком" холоде (температура ниже -120° С).

Получать температуры ниже -120° С с помощью компрессионных установок сложно и невыгодно. Для этой цели применяют другие методы.

Если сжатый газ направить в цилиндр, то он расширится и переместит поршень, совершив при атом работу. Теряя свою энергию, газ сильно охлаждается. Такая машина называется детандером. Если сжатый газ направить на лопатки вращающегося колеса- турбодетандера, то и в этом случае, вращая ротор, он резко снизит свою температуру. Так, при падении давления с 0,6 до 0,1 МПа воздух охлаждается с 20° до -90° С.

В установке для получения жидкого воздуха сжатый в компрессоре до 0,6-0,6 МПа воздух, прежде чем попасть в турбодетандер, охлаждается в теплообменнике. Из турбодетандера еще более охлажденный воздух поступает в конденсатор. Там он охлаждает и превращает в жидкость другую часть воздуха, которая под давлением 0,5-0,6 МПа поступает из теплообменника в межтрубное пространство конденсатора. Через вентиль жидкий воздух направляется в нижнюю часть конденсатора, где давление уже 0,1 МПа. Оттуда его можно слить в специальный сосуд Дьюара, где благодаря изоляции, создаваемой безвоздушным пространством между двойными стенками, жидкий воздух можно сохранять долгое время.

Получение сверхнизких температур позволило открыть интересные свойства различных веществ. Так, резина в жидком воздухе становится хрупкой, некоторые металлы начинают очень хорошо проводить электрический ток, а свинцовый колокольчик приобретает звучание чистого серебра.

Важнейшее применение глубокого холода - сжижение газов. Каждый газ имеет свою критическую температуру. Пока температура его выше критической, никаким давлением нельзя превратить его в жидкость. При современном развитии холодильной техники стало возможным охлаждать газы намного ниже их критической температуры и превращать их в жидкость при невысоких давлениях. Это позволило дешевым способом получать многие нужные нам газы. Так, если постепенно подогревать жидкий воздух, то сначала из него выделяется азот, имеющий более низкую температуру кипения, а жидкий кислород остается в сосуде. Этот способ получения кислорода широко применяется в промышленности.

Выполнить 5 заданий

Физическая природа тепла и холода одинакова, разни­ца состоит только в скорости движения молекул и атомов. В более нагретом телœе скорость движения больше, чем в [ менее нагретом. При подводе к телу тепла движение воз­растает, при отнятии тепла уменьшается. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, тепловая энергия есть внутренняя энергия движения моле­кул и атомов.

Охлаждение тела - это отвод от него тепла, сопро­вождаемый понижением температуры. Самый простой спо­соб охлаждения - теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой - наружным воздухом, речной и морской водой, почвой. Но этим способом, даже при самом совершенном теплообмене, температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей сре­ды. Такое охлаждение принято называть естественным. Ох­лаждение тела ниже температуры окружающей среды на­зывается искусственным. Стоит сказать, что для него используют глав­ным образом скрытую теплоту, поглощаемую телами при изменении их агрегатного состояния.

Количество тепла или холода измеряется калориями Или килограмм-калориями (килокалория). Калория - это Количество тепла, крайне важное для нагрева 1 г воды на 1°С При нормальном атмосферном давлении, килокалория - для Нагрева 1 кг воды на 1°С при тех же условиях.

Существуют несколько способов получения искусствен­ного холода. Самый простой из них - охлаждение при по­мощи льда или снега, таяние которых сопровождается по-

глощением довольно большого количества тепла. В случае если теп-лопритоки извне малы, а теплопередающая поверхность льда или снега относительно велика, то температуру в по­мещении можно понизить почти до 0°С. Практически в по­мещении, охлаждаемом льдом или снегом, температуру воздуха удается поддерживать лишь на уровне 5-8"С. При ледяном охлаждении используют водный лед или твердую углекислоту (сухой лед).

При охлаждении водным льдом происходит изменение его агрегатного состояния - плавление (таяние). Холодо-производительность, или охлаждающая способность чисто­го водного льда, принято называть удельной теплотой плавления. Она равна 335 кДж/кᴦ. Теплоемкость льда равна 2,1 кДж/ кг градус.

Водный лед применяется для охлаждения и сезонного хранения продовольственных товаров, овощей, фруктов в климатических зонах с продолжительным холодным перио­дом, где в естественных условиях в зимний период его лег­ко можно заготовить.

Водный лед в качестве охлаждающего средства приме­няется в специальных ледниках и на ледяных складах. Лед­ники бывают с нижней загрузкой льда (ледник-погреб) и с боковой - карманного типа.

Ледяное охлаждение имеет существенные недостатки: температура хранения ограничена температурой таяния льда (обычно температура воздуха на ледяных складах 5- 8"С), в ледник крайне важно закладывать количество льда, достаточное на весь период хранения, и добавлять по мере крайне важности; значительные затраты труда на заготовку и хранение водного льда; большие размеры помещения для льда, превышающие примерно в 3 раза размеры помеще­ния для продуктов; значительные затраты труда на соблю­дение необходимых требований, предъявляемых к хране­нию пищевых продуктов и отводу талой воды.

Лъдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Благодаря добавлению соли

скорость таяния льда увеличивается, а температура тая-jjjfH льда опускается ниже. Это объясняется тем, что до­бавление соли вызывает ослабление молекулярного сцеп­ления и разрушение кристаллических решеток льда. Тая-л^е льдосоляной смеси протекает с отбором теплоты от ок­ружающей среды, в результате чего окружающий воздух охлаждается и температура его понижается. С повышени­ем содержания соли в льдосоляной смеси температура плав­ления ее понижается. Раствор соли с самой низкой темпе­ратурой таяния принято называть эвтектическим, а темпе­ратура его таяния - криогидратной точкой. Крио-гидратная точка для льдосоляной смеси с поваренной солью -21,2"С при концентрации соли в растворе 23,1% по отно­шению к общей массе смеси, что примерно равно 30 кг соли на 100 кг льда. При дальнейшей концентрации соли проис­ходит не понижение температуры таяния льдосоляной сме­си, а повышение температуры таяния (при 25%-ной кон­центрации соли в растворе к общей массе температура та­яния повышается до -8°С).

При замораживании водного раствора поваренной соли в концентрации, соответствующей криогидратной точке, по­лучается однородная смесь кристаллов льда и соли, кото­рая принято называть эвтектическим твердым раствором.

Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли -21,2°С, а теплота плавления 236 кДж/кᴦ. Эвтектический раствор применяют для зеро-торного охлаждения. Для этого в зероты - наглухо запа­янные формы - заливают эвтектический раствор поварен­ной соли и замораживают их. Замороженные зероты ис­пользуют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждае- M bix переносных сумок-холодильников и т. д. В торговле Ль досоляное охлаждение широко применялось до массо- в ого выпуска оборудования с машинным способом охлаж­дения.

Охлаждение сухим льдом основано на свойстве твер-Дой углекислоты сублимировать, т. е. при поглощении теп-

ла переходить из твердого состояния в газообразное, ми­нуя жидкое состояние. Физические свойства сухого льда следующие: температура сублимации при атмосферном дав­лении - 78,9"С; теплота сублимации 574,6 кДж/кᴦ.

Сухой лед обладает следующими преимуществами по сравнению с водным:

* можно получать более низкую температуру;

* охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда;

* при охлаждении не возникает сырости, кроме того, при сублимации сухого льда образуется газообразная уг­ лекислота͵ которая является консервирующим средством, способствующим лучшему сохранению продуктов.

Сухой лед применяется для перевозки замороженных продуктов, охлаждения фасованного мороженого, заморо­женных фруктов и овощей.

Искусственного охлаждения можно достигнуть также, если смешать лед или снег с разведенными кислотами. На­пример, смесь из 7 частей снега или льда и 4 частей разве­денной азотной кислоты имеет температуру -35°С. Низкую температуру можно получить и растворением солей в раз­веденных кислотах. Так, если 5 частей азотнокислого аммо­ния и 6 частей сернокислого натрия растворить в 4 частях разведенной азотной кислоты, то смесь будет иметь темпе­ратуру -40°С.

Получение искусственного холода с помощью снега или льда, а также с помощью охлаждающих смесей имеет су­щественные недостатки: трудоемкость процессов заготовки льда или снега, их доставки, трудность автоматического регулирования, ограниченные температурные возможности.

В последнее время в связи с энергетическим кризисом, загрязнением окружающей среды всœе более актуальной ста­новится проблема использования для холодильной обработки пищевых продуктов нетрадиционных экологически безопас­ных методов получения холода. Наиболее перспективным

из них является криогенный метод на базе жидкого и газо­образного азота с применением безмашинной проточной системы хладоснабжения, предусматривающей одноразовое использование криоагента.

Перспективность данного метода хладоснабжения воз­растает в связи с открытием в России больших запасов (340 млрд м л) подземных высокоазотных газов. Себестоимость очищенного азота на порядок ниже, чем азота͵ полученно­го с помощью метода разделœения воздуха.

Безмашинные проточные системы азотного охлажде­ния имеют значительные преимущества: очень надежны в эксплуатации и имеют высокую скорость замораживания, обеспечивающую практически полное сохранение качества и внешнего вида продукта͵ а также минимальные потери его массы за счет усушки.

Особо следует отметить экологическую чистоту таких систем (в атмосфере Земли содержится до 78% газообраз­ного азота).

Наиболее распространенным и удобным в эксплуатаци­онном отношении способом охлаждения является машин­ное охлаждение.

Машинное охлаждение - способ получения холода за счет изменения агрегатного состояния хладагента͵ кипения его при низких температурах с отводом от охлаждаемого тела или среды крайне важной для этого теплоты парообра­зования.

Для последующей конденсации паров хладагента тре­буется предварительное повышение их давления и темпе­ратуры.

В основу машинного способа охлаждения может быть положено также адиабатическое (без подвода и отвода теп­ла) расширение сжатого газа. При расширении сжатого газа температура его значительно понижается, так как внешняя Работа в этом случае совершается за счет внутренней энер­гии газа. На этом принципе основана работа воздушных хо­лодильных машин.

Охлаждение путем расширения сжатого газа, в част­ности воздуха, отлично от всœех способов охлаждения. Воз­дух при этом не меняет своего агрегатного состояния, как лед, смеси и хладон, он только нагревается, воспринимая теплоту окружающей среды (от охлаждаемого тела).

Широкое применение машинного охлаждения в тор­говле объясняется рядом его эксплуатационных свойств и экономических преимуществ. Стабильный и легко регули­руемый температурный режим, автоматическое действие холодильной машины без больших затрат труда на техни­ческое обслуживание, лучшие санитарно-гигиенические условия хранения продуктов, компактность и общая эконо­мичность определяют целœесообразность применения машин­ного охлаждения.

На предприятиях оптовой и розничной торговли исполь­зуют в основном паровые холодильные машины, действие которых основано на кипении при низких температурах спе­циальных рабочих веществ - хладагентов. Паровые холо­дильные машины подразделяют на компрессионные, в которых пары хладагента подвергаются сжатию в компрес­соре с затратой механической энергии, и абсорбцион­ные, в которых пары хладагента поглощаются абсорбен­том.

Устройство и принцип действия компрессионной холо­дильной машины. Компрессионная холодильная машина (рис. 3.1) состоит из следующих базовых узлов: испарите­ля, компрессора, конденсатора, ресивера, фильтра, тер-морегулирующего вентиля. Автоматическое действие ма­шины обеспечивается терморегулирующим вентилем и ре­гулятором давления. К вспомогательным аппаратам, спо­собствующим повышению экономичности и надежности ра­боты машины, относятся: ресивер, фильтр, теплообмен­ник, осушитель. Машина приводится в действие электро­двигателœем.

Испаритель - охлаждающая батарея, которая погло­щает тепло окружающей среды за счет кипящего в ней

при низкой температуре хладагента. Учитывая зависимость отвида охлаждаемой среды различают испарители для охлажде­ния жидкости и воздуха.

Кожпрессор предназначен для отсасывания паров хлад­агента из испарителя, сжатия и нагнетания их в перегретом состоянии в конденсатор. В малых холодильных машинах Применяют поршневые и ротационные компрессоры, при­чем наибольшее распространение получили поршневые.

Конденсатор - теплообменный аппарат, служащий для снижения паров хладагента путем их охлаждения. По виду

охлаждающей среды конденсаторы выпускают с водяным ц воздушным охлаждением. Конденсаторы с принудительным движением воздуха имеют вертикально расположенные плоские змеевики из медных или стальных сребренных труб. Естественное воздушное охлаждение применяется только в холодильных машинах бытовых электрохолодильников. Конденсаторы с водяным охлаждением бывают кожухозме-евиковые и кожухотрубные.

Ресивер - резервуар, служащий для сбора жидкого хладагента с целью обеспечения его равномерного поступ­ления к терморегулирующему вентилю и в испаритель. В малых хладоновых машинах ресивер предназначен для сбора хладагента во время ремонта машины.

Фильтр состоит из медных или латунных сеток и су­конных прокладок. Он служит для очистки системы и хлад­агента от механических загрязнений, образовавшихся в ре­зультате недостаточной очистки их при изготовлении, монтаже и ремонте. Фильтры бывают жидкостные и паро­вые. Жидкостный фильтр устанавливается после ресивера перед терморегулирующим вентилем, паровой - на всасы­вающей линии компрессора.

Для предотвращения попадания ржавчины и механи­ческих частиц в цилиндры малых фреоновых холодильных машин, во всасывающую полость компрессора вставляют фильтр в виде стаканчика из латунной сетки.

Терморегулирующий вентиль обеспечивает равномер­ное поступление хладона в испаритель, распыляет жид­кий хладагент, тем самым понижает давление конденсации до давления испарения.

От правильной регулировки терморегулирующего вен­тиля во многом зависит экономичность работы холодильной машины. Избыток жидкого хладона в испарителœе вследствие влажного хода компрессора может привести к возникнове­нию гидравлического удара. При недостаточном заполнений испарителя жидкостью часть поверхности его не исполь­зуется, что ведет к нарушению нормального режима рабо-

ты машины и понижению температуры испарения хлад­агента.

Регулятор давления состоит из прессостата (регулятора лизкого давления) и маноконтроллера (выключателя высо­кого давления). Для регулировки температурного режима в определœенных пределах крайне важно, чтобы холодопроизво-дительность холодильной машины всœегда превышала приток тепла к ней. По этой причине в нормальных условиях нет необходи­мости в непрерывной работе холодильной машины.

Периодическое включение холодильной машины осу­ществляется прессостатом автоматически. Требуемый тем­пературный режим достигается путем регулирования про­должительности перерывов работы холодильной машины. Маноконтроллер служит для защиты от чрезмерного по­вышения давления в линии нагнетания. При повышении дав­ления в конденсаторе свыше 10 атм (норма - 6-8 атм) он размыкает цепь катушки магнитного пускателя, питание электродвигателя отключается и холодильная машина ос­танавливается.

Работа холодильной машины происходит следующим образом. Легкоиспаряющаяся жидкость (хладон-12) посту­пает через терморегулирующий вентиль в испаритель. По­падая в условия низкого давления, она кипит, превраща­ясь в пар, и при этом отбирает тепло у воздуха, окружаю­щего испаритель.

Из испарителя пары хладона отсасываются компрессо­ром, сжижаются и в перегретом от сжатия состоянии на­гнетаются в конденсатор. В охлаждаемом водой или возду­хом конденсаторе они превращаются в жидкость. Жидкий хладон стекает по трубам конденсатора и скапливается в ресивере, откуда под давлением проходит через фильтр, г Де задерживаются механические примеси (песок, окалина * Др.).

Очищенный от примеси хладон, проходя через узкое °тверстие терморегулирующего вентиля, дросселируется (мнется), распыляется и при резком снижении давления и

температуры поступает в испаритель, после чего цикл по­вторяется.

Рабочий цикл холодильной машины с учетом взаимо­действия приборов автоматики состоит в следующем. При выключенном электродвигателœе контакты релœе давления разомкнуты, терморегулирующий вентиль не пропускает жидкий хладон из конденсатора в испаритель, так как игла до конца вошла в седловину и плотно закрыла проходное сечение. В испарителœе в это время продолжается процесс кипения оставшегося после выключения машины жидкого хладагента. От притока внешнего тепла температура испа­рителя постепенно повышается и, следовательно, давле­ние скопившихся в нем паров возрастает. Давление в испа­рителœе будет расти до тех пор, пока прессостат релœе дав­ления не замкнет контакты и машина не вступит в работу.

С включением машины в работу начинается отсос пере­гретых паров из испарителя в компрессор. Это влечет за собой повышение температуры и давления в чувствитель­ном патроне терморегулирующего вентиля, вследствие чего игольчатый клапан открывает проходное отверстие. Жид­кий хладагент, интенсивно кипя, устремляется в трубы испарителя. Кипение сопровождается значительным пони­жением температуры парожидкостной смеси, в результате чего охлаждаются стенки испарителя, окружающий его воздух и скоропортящиеся продукты.

Понижение температуры окружающей среды снижает величину теплопритока. Кипение становится менее интен­сивным, сокращается количество пара, падает давление в испарителœе до предела, при котором релœе давления раз­мыкает контакты и машина останавливается. К моменту вык­лючения машины уменьшается подача жидкого хладагента в испаритель, поскольку избыток поступившего в него хлад­агента ведет к снижению температуры выходящих паров и к автоматическому прикрытию игольчатого клапана термо­регулирующего вентиля. Через несколько секунд после ос­тановки машины давление в термобаллоне и испарителœе

окончательно сравнивается и игольчатый клапан закрыва­ется.

Хладагенты. Хладагенты - это рабочие вещества па­ровых холодильных машин, с помощью которых обеспечи­вается получение низких температур. Наиболее распрост­раненные из них - хладон и аммиак.

При выборе хладагента руководствуются его термоди­намическими, теплофизическими, физико-химическими и физиологическими свойствами. Важное значение имеет так­же его стоимость и доступность. Хладагенты не должны быть ядовиты, не должны вызывать удушья и раздраже­ния слизистых оболочек глаз, носа и дыхательных путей человека.

Хладон-12 (R-12) имеет химическую формулу CHF 2 C1 2 (дифтордихлорметан). Он представляет собой газообразное бесцветное вещество со слабым специфическим запахом, который начинает ощущаться при объемном содержании его паров в воздухе свыше 20%. Хладон-12 обладает хорошими термодинамическими свойствами.

Хладон-22 (R-22), или дифтормонохлорметан (CHF 2 C1), так же как и хладон-12, обладает хорошими термодина­мическими и эксплуатационными свойствами. Отличается он более низкой температурой кипения и более высокой теплотой парообразования. Объемная холодопроизводи-тельность хладона-22 примерно в 1,6 раза больше, чем хладона-12.

Аммиак (NH 3) - бесцветный газ с удушливым сильным характерным запахом. Аммиак имеет достаточно высокую объемную холодопроизводительность. Производство его ос­новано главным образом на методе соединœения водорода с азотом при высоком давлении с наличием катализатора. Аммиак применяют и для получения низких температур (до -70°С) при глубоком вакууме. Теплота парообразова­ния, теплоемкость и коэффициент теплопроводности у ам­миака выше, а вязкость жидкости меньше, чем у хладонов. По этой причине он имеет высокий коэффициент теплоотдачи. Сто-

имость аммиака невысока по сравнению с другими хлад~

агентами.

Как известно, некоторые хладагенты обладают озоно-разрушающей способностью, что не может не тревожить международную общественность.

Способность хлорсодержащих хладагентов вызывать данный процесс принято называть озоноразрушающим потенциа­лом - ОРП (рис. 3.2).

R~403BR^t04A R-22 R-134A R-12 R-502

Рис. 3.3. Потенциал глобального потепления

0,5-.				£7
0,45-
0,4-
0,35-				^.		£?
0,3-cl 0,25-				1 1
0 0,2-		x~7
0,15		1-		^ i
0,1		ИХ |^"	Pli
0,05		К ^	^^Ji^:	^v ^			*r
0-		ОС	" I «fc	СЧ 4- ОС		г ОС

Рис. 3.2. Озоноразрушающий потенциал

Продолжительность жизни хладагентов в атмосфере также очень важный фактор. Это показатель времени, в течение которого различные вещества сохраняются в ат­мосфере и могут влиять на окружающую среду. Иными сло­вами, чем дольше химикат или хладон сохраняется в ат­мосфере, тем он менее экологически безопасен (рис. 3.4).

80-60- 40-20-0