ОСНОВЫ ТЕОРИИ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

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; Q_р, -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.