Искусственный холод. Способ получения холода в холодильной установке Оборудование используемое для получения холода

Способы получения холода

Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состоит только в скорости движения молекул и атоме. В более нагретом теле скорость движения больше, чем менее нагретом. При подводе к телу тепла движение возрастает, при отнятии тепла уменьшается.

Тепловая энергия есть внутренняя энергия движения молекул и атомов.

Но этим способом температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Такое охлаждение называется естественным. Охлаждение тела ниже температуры окружающей среды называется искусственным. 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, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 при нормальном атмосферном давлении, килокалория - для нагрева 1 кг воды на 1С при тех же условиях.

Существуют несколько способов получения искусственного холода.

1.О хлаждение при помощи льда или снега, таяние которых сопровождается поглощением довольно большого количества тепла. Простое, дешевое. Недостаток - нельзя получить температуру ниже +3 °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). Холодопроизводительность, или охлаждающая способность чистого водного льда, называется удельной теплотой плавления. Она равна 335 кДж/кг. Теплоемкость льда равна 2,1 кДж/кг градус.

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.

2.Лъдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Благодаря добавлению соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается ниже. Это объясняется тем, что добавление соли вызывает ослабление молекулярного сцепления и разрушение кристаллических решеток льда. Таяние 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 называется эвтектическим, а температура его таяния - криогидратной точкой. Криогидратная 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 па 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 называется эвтектическим твердым раствором.

Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли -21,2 ° С, а теплота плавления - 236 кДж/кг. Эвтектический раствор применяют для зероторного охлаждения. Для этого в зероты - наглухо запаяннные формы - заливают эвтектический раствор поваренной соли и замораживают их. Замороженные зероты используют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждаемых переносных сумок-холодильников и т. д.

3.Охлаждение сухим льдом основано на свойстве твердой углекислоты сублимировать, т. е. при поглощении тепла переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Физические свойства сухого льда: температура сублимации при атмосферном давлении - 78,9°С , теплота сублимации 574,6 кДж/кг. . Высокая стоимость сухого льда ограничивает его широкое применение.

Сухой лед обладает преимуществами по сравнению с водным:

1.можно получать более низкую температуру;

2.охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда:

3.при охлаждении не возникает сырости, кроме того, при сублимации сухого льда образуется газообразная углекислота, 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.

4. Охлаждение жидкими газами (азотом, воздухом и др.) основано на их кипении при низкой температуре. При нормальном давлении температура кипения азота равна –195,8 °С, воздуха – от –190 до –195 °С, кислорода –182,8 °С.

В связи с энергетическим кризисом, загрязнением окружающей среды все 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 3 ) подземных высокоазотных газов. Себестоимость очищенного азота на порядок ниже, чем азота, полученного с помощью метода разделения 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 просты по устройству и доступны установки, работающие на готовых хладоносителях: водном или сухом льду, льдосоляных смесях, жидких газах и др. Основной недостаток – полная зависимость от возможностей и условий получения хладоносителей, большой объем работ, связанных с зарядкой охлаждающей системы. Этого недостатка не имеет машинное охлаждение, потребляющее извне только энергию или воздух.

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

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

Охлаждение, как и нагрев, основано на теплообмене - это самопроизвольный переход тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для охлаждения используются процессы, протекающие с поглощением тепла из окружающей среды: таяние или растворение; кипение или испарение; сублимация и др.

Под низкими температурами понимают температуры ниже окружающей среды. В холодильном оборудовании предприятий торговли и общественного питания этот диапазон составляет от 0 до - 40°С.

Низкие температуры получают в результате физических процессов, которые сопровождаются поглощением тепла. К числу основных таких процессов относится:

1.Фазовый переход вещества - плавление, кипение (испарение), сублимация

Фазовый переход некоторых веществ при плавлении, кипении (испарении), сублимации происходит при низких температурах и с поглощением значительного количества тепла.

Рис.1 Схема фазовых переходов вещества

Плавление - переход твердого тела в жидкое состояние при определенной температуре. Теплота плавления - количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при постоянной температуре в жидкое состояние.

Сублимация- переход тел из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. Теплотой сублимации - количество тепла, необходимое для перехода 1 кг твердого вещества в пар при постоянных давлении и температуре. Твердая углекислота при атмосферном давлении переходит в газообразное состояние при -78°С.

Кипение - процесс превращения жидкости в пар. Образование пара происходит по всему объему жидкости. Температура жидкости, нагретой до точки кипения, остается постоянной при неизменном давлении пока вся не выкипит.

Испарение- процесс превращения жидкости, не достигшей точки кипения, в пар . Испарение происходит только с поверхности жидкости.

В холодильной технике под испарением подразумевают также и кипение.

Процесс, обратный кипению, - конденсация. Конденсация протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением теплоты. Температура конденсации зависит от давления. Давление и температура всегда изменяются в одном направлении. Растет температура - увеличивается давление, и наоборот.

2.Адиабатическое расширение газа

П роцесс, происходящий без подвода и отвода тепла, называется адиабатическим. Адиабатное расширение – процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через специальное расширительное устройство. В холодильной технике в качестве расширительного устройства используется детандер .

3. Дросселирование газа и жидкостей

Процесс резкого падения давления (температуры) при прохождении рабочего вещества через местное сужение в канале .

сужение в канале

Рис. 2 Схема холодильной машины

4. Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье)

Единичный элемент термоэлектрического модуля (ТЭМ) - термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов используются полупроводники на основе висмута, теллура, с примесями из сурьмы и селена.

ТЭМ - совокупность термопар, электрически соединенных последовательно. Термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до тысяч пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через ТЭМ постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур - одна сторона (холодная) охлаждается , а другая (горячая) нагревается . Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить отвод тепла, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны элемента Пельтье меняются местами.


Рис.3 Действие эффекта Пельтье при протекании тока через полупроводники p- и n-типов проводимости.	Рис.4 Термоэлектрический модуль (ТЭМ )	Рис.5 Внешний вид ТЭМ

Наибольшей термоэектрической эффективностью для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута , в который добавляют специальные примеси, селен и сурьму.

Термоэлектрический холодильник бесшумен, но дорог: сумки-холодильники, небольшие автомобильные холодильники и кулеры питьевой воды.

Способы получения искусственного холода разнообразны.

-> 13.04.2011 - Способы получения холода и характеристики источников охлаждения

Получение холода сводится к уменьшению содержания тепла в твердом теле, жидкости или газе. Охлаждение - это процесс отнятия тепла, приводящий к понижению температуры или изменению агрегатного состояния физического тела. Различают естественное и искусственное охлаждение.

Естественное охлаждение — это отвод тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду. При этом способе температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Это самый простой способ охлаждения без затраты энергии.

Искусственное охлаждение — это охлаждение тела ниже температуры окружающей среды. Для искусственного охлаждения применяют холодильныр машины или холодильные установки. При этом способе охлаждения необходимо затратить энергию.

Существует несколько способов получения искусственного холода. Самый простой — охлаждение с помощью льда или снега. Ледяное охлаждение имеет существенный недостаток — температура охлаждения ограничена температурой таяния льда. В качестве охладителей используют водный лед, льдосоляные смеси, сухой лед и жидкие холодильные агенты (хладоны и аммиак).

Льдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Из-за добавления соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается. Охлаждение сухим льдом основано на действии твердого диоксида углерода — при поглощении тепла сухой лед переходит из твердого состояния в газообразное. С помощью сухого льда можно получить более низкую температуру, чем при использовании водного льда: охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда, при охлаждении не возникает сырости, выделяемый газообразный диоксид углерода обладает консервирующими свойствами, способствует лучшему сохранению продуктов. Сухой лед применяется при перевозках замороженных продуктов, охлаждении фасованного мороженого, хранении

Наиболее распространенным и удобным при эксплуатации является машинное охлаждение. По сравнению с другими видами охлаждения машинное охлаждение обладает следующими преимуществами:

возможностью создания низкой температуры в широких пределах;
автоматизацией процесса охлаждения;
доступностью эксплуатации и технического обслуживания и др.

Машинное охлаждение получило в торговле наибольшее распространение в связи с рядом достоинств:

автоматическим поддержанием постоянной температуры хранения в зависимости от вида продуктов;
рациональным использованием полезной емкости для охлаждения продуктов, удобством обслуживания;
высокой экономичностью и возможностью создания необходимых санитарно-гигиенических условий хранения продуктов.

В основу машинного охлаждения положено свойство некоторых веществ кипеть при низкой температуре, поглощая при этом большое количество теплоты из окружающей среды. Такие вещества называют холодильными агентами (хладагентами).

Хладагенты — это рабочие вещества паровых холодильных машин, с помощью которых обеспечивается получение низких температур. Хладагенты должны иметь высокую теплоту парообразования, низкую температуру кипения, высокую теплопроводность. Вместе с тем хладагенты не должны быть взрывоопасными, легко воспламеняющимися, ядовитыми. Важное значение имеет стоимость хладагентов. Наиболее отвечающим этим требованиям являются хладон 12, хладон 22 и аммиак. Хладон поступает в торговые предприятия в металлических баллонах, окрашенных в алюминиевый цвет и имеющих условную маркировку R12 или .

Работа паровой компрессионной холодильной машины.Стандартный цикл.

Цикл паровой компрессионной холодильной машины - это термодинамический процесс, в котором жидкий хладагент испаряется, сжимается и конденсируется в непрерывном цикле для охлаждения камеры или пространства.

Термодинамический цикл - это два или больше связанных процесса, которые в конечном счете возвращают рабочую жидкость к начальному состоянию.Цикл связанных процессов системы машинного охлаждения называют циклом паровой компрессионной холодильной машины. Простой цикл паровой компрессионной холодильной машины.

Простой цикл паровой компрессионной холодильной машины состоит из четырех основных процессов: расширение, испарение, сжатие и конденсация. В данных процессах давление, температура и состояние хладагента меняются. В каждом отдельном процессе свойства хладагента меняются. Но в конце последнего процесса хладагент возвращается в начальное состояние с теми же качествами, которые у него были в начале первого процесса, и образуется цикл. Компоненты для выполнения данных процессов представлены в предыдущем разделе.

Для понимания цикла паровой компрессионной холодильной машины необходимо сначала рассмотреть каждый процесс отдельно. При понимании отдельных процессов можно проанализировать их относительно других процессов, которые составляют цикл. Необходимо понимать взаимосвязь процессов, так как изменения в одном процессе вызывают соответствующие изменения в других, которые составляют цикл паровой компрессионной холодильной машины.

Хладагент в ресивере находится в жидком и газообразном состояниях при высокой температуре и давлении. В течение цикла жидкий хладагент переходит в жидкостный трубопровод, а затем в регулятор расхода хладагента.

Хладагент у входного отверстия регулятора расхода находится в жидком состоянии при высокой температуре и давлении. При проходе хладагента через маленькое отверстие клапана или капиллярной трубки его давление уменьшается до давления испарителя. Снижение давления хладагента производит соответствующее уменьшение температуры насыщения жидкого хладагента. В результате часть хладагента закипает и понижает температуру остальной жидкости. Парожидкостная смесь выходит из регулятора расхода хладагента и попадает в испаритель.

Хладагент у входного отверстия испарителя — это прохладная парожидкостная смесь с низкой температурой и давлением. Остальная жидкость испаряется при температуре насыщения, соответственно давлению в испарителе. Испаряющаяся жидкость поглощает скрытую теплоту в камере. Пар на выходе из испарителя немного перегрет, чтобы предотвратить попадание жидкости в компрессор.

Хладагент у входного отверстия компрессора — это перегретый пар при более низкой температуре и давлении. Компрессор вызывает движение хладагента благодаря зоне низкого давления в цилиндрах при всасывании. Так как давление в цилиндре ниже, чем давление пара в испарителе, хладагент поступает через всасывающий трубопровод в компрессор благодаря разнице давлений. Во всасывающем трубопроводе пар поглощает теплоту из окружающей среды, что еще более увеличивает его перегрев. При сжатии температура и давление пара увеличиваются, и нагретый пар под давлением выбрасывается в нагнетательный трубопровод.

Хладагент у входного отверстия конденсатора - это перегретый пар при высокой температуре и давлении. Так как температура окружающей среды конденсатора ниже, чем температура насыщения пара, хладагент конденсируется. Таким образом, скрытая теплота парообразования, поглощенная в испарителе, передается наружу из камеры. К тому времени, когда хладагент достигает нижней части конденсатора, он отдает достаточно сухой и скрытой теплоты, конденсируется и становится немного холоднее. Жидкость выходит из конденсатора и поступает к ресиверу в том же состоянии, в котором вышла из него. Цикл заканчивается.1

Кондиционеры уже давно появились на рынке, а за последние 10 лет стали по-настоящему общедоступными. При этом далеко не все знают принцип их работы. Если мы не охлаждаем улицу, то зачем нужен блок снаружи? Сколько уличного воздуха приходит в комнату через соединительные трубопроводы? И т.д.

Предлагаю вашему вниманию общедоступный научно-популярный познавательный рассказ. А начнем мы с самого начала - с получения холода.

Как получить холод?

В научном мире эта тема называется «Физические основы получения холода». И перечисляется более десятка таковых основ. Но это сложно и скучно. Пойдем простым путём. Нам нужно получить холод в комнате. Как это сделать?

Создать холод (энергию холода) из некой другой энергии.
Принести холод из другой комнаты.

Вроде бы пока всё просто - у нас всегда и везде есть два варианта обзавестись чем-либо - сделать самому или стащить у кого-то.

Вот, например, все обогреватели-отопители, работающие от электричества, тепло создают сами. А если вентилятором нагнетать горячий летний воздух с улицы, то здесь мы тепло не создаем, а переносим (с улицы в комнату). Какова же эффективность обоих методов? В первом случае мы тратим электричества ровно столько, сколько и получаем тепла (ТЭН, потребляющий 1кВт, даёт ровно 1кВт тепла), т.е. КПД получается 100%. Во втором же случае с использованием вентилятора, потребляющего 1кВт с улицы можно нагнать и 5 и 10 и 20кВт тепла! Пожарче улица была бы! И что же? КПД будет 500, 1000 или 2000%? Совсем нет, но факт, что второй способ эффективнее, очевиден.

Кондиционеры - переносчики холода

Кондиционер работает именно по второму пути. Он холод не создает, а приносит с улицы. Как - увидим чуть ниже, а пока ещё одно сравнение из современной жизни.

Рассмотрим работу инженера и менеджера по продажам. Инженер занимается проектированием и зарабатывает тем, что разрабатывает и создает всевозможную технику. Он может и год и два потратить на разработки. Менеджер же эту технику переносит, точнее, перепродает, зарабатывая на наценке. И кто лучше живёт в нашей современности? :)

Так вот, вернемся к кондиционерам. Потому-то все они состоят из двух блоков, что именно!переносят! холод. Первый блок отправитель холода, второй получатель (или, с точки зрения тепла, наоборот: первый блок получатель тепла, а второй его отправитель). Адресант и адресат. Так называемые, наружный и внутренний блоки.

Как кондиционеры переносят холод?

Очень просто - для реализации процесса переноса нужно некое вещество-носитель. Зимой на улице холодно и носитель там охлаждается, а в комнате нагревается, при этом охлаждая воздух в комнате. Т.е. носитель перенес температуру с улицы в комнату.

Но откуда взять холод в летнюю жару? Ответ прост - из той же самой жары. Надо только подойти к вопросу немного иначе и переносить не температуру, а энергию. Если перенести энергию из комнаты на улицу, то в доме энергии останется меньше и станет холоднее, на улице же будет теплее.

Как вещество-энергоносец переносит энергию? Обратимся к свойствам веществ при разных давлениях. Например, к свойствам воздуха. Если взять некий объем воздуха при температуре 25°С и давлении 1атм. (точка 1, рис.1) и сжать его до 200атм (точка 2), то его температура увеличится до 53°С. Теперь охладим его уличным воздухом до 40°С (точка 3) и снова приведём к давлению 1атм (точка 4), при этом он охладится до 8°С - вот он и холод! Такой температурой можно и комнату охлаждать! Собственно, вот и всё - задача выполнена!

Проблема выбора теплоносителя

Рассмотренный выше способ получения холода с использованием воздуха находит своё применение в холодильной технике для получения температур около -100С, но абсолютно не годится для кондиционирования :

Во-первых, как мы увидели, воздух в качестве теплоносителя неудобен, т.к. 200атм. - очень высокое давление, требующее высокой потребляемой мощности для его достижения.
Во-вторых, и это можно показать, нам понадобится большой расход воздуха.
Наконец, в третьих, у любого вещества есть замечательное свойство потреблять или отдавать энергию, не изменяя собственную температуру. Это происходит при изменении агрегатного состояния. Например, если на нагрев 1кг воды при атмосферном давлении с 5С до 15С потребуется 42кДж энергии, с 15С до 25С - столько же (зависимостью теплоёмкости от температуры можно пренебречь) и с 85С до 95С - всё те же 42кДж, то с 95С до 105С - совсем нет. Секрет в том, что при 100С вода начнет кипеть и сколько энергии не подводи, пока вся не выкипит, дальнейшего нагрева мы не увидим - все подведенные джоули уйдут на изменение её агрегатного состояния. А энергия, необходимая для выкипания 1кг воды потрясающе велика! Это целых 2500кДж! Итого, нагрев с 95С до 105С нам влетит в 2542кДж! Почувствовали разницу в 60 раз? А что это означает на практике? Это означает, что если необходимо перенести, к примеру, 25000кДж при разности температур 10С, то нам понадобится 600кг воды без изменения её агрегатного состояния или же всего 10кг с изменением. В 60 раз меньше! Но, заметите вы, температуры 95С и 105С можно использовать в отоплении, но никак не для получения холода. Действительно, так оно и есть. Но отмечу, что наш пример был приведен для атмосферного давления, а если теплоноситель-воду взять при более низком давлении, то температура кипения понизится. Но чтобы вода кипела при желаемых 10С необходимо абсолютное давление около 0.02ата - это почти вакуум - через чур сложнодостижимое условие.

Итоговый вывод прост - необходимо найти удобный теплоноситель - чтобы получение температур порядка 10С достигалось при "разумных" давлениях плюс, по возможности, использовался тепловой эффект при смене агрегатного состояния.

Появление фреонов

Вот так и были рождены хладоны, часто именуемые фреонами (на самом деле правильнее использовать термин "хладон", а фреон - это лишь запатентованный хладон фирмы E. I. du Pont de Nemours and Co. (США)). Проследуем без остановки пункты, проясняющие их состав, ассортимент, специфические свойства и др. Сразу озвучим тот факт, что с их помощью реализуется холодильный цикл, благодаря которому достигаются температуры в 5-15С, причем максимальное давление цикла не превышает 20атм (в более новых фреонах - 30атм) и вместе со всеми преимуществами используется теплота парообразования и конденсации.

Итак, современные кондиционеры работают на фреоне, сжатие которого осуществляется в компрессоре, охлаждение сжатого газа, а заодно и его перевод в жидкое состояние - в темплообменнике-конденсаторе, охлажденный сжатый фреон расширяется в дросселе (или терморегулирующем вентиле или в капилляре). В результате он охлаждается и поступает в теплообменник-испаритель, где, отдавая холод в комнату , нагревается, испаряется и снова нагревается, следуя в компрессор. Цикл замкнулся.

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

Существуют несколько способов получения искусственного холода. Самый простой из них - охлаждение при помощи льда или снега, таяние которых сопровождается поглощением довольно большого количества тепла. Если теплопритоки 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).

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.

Ледяное охлаждение имеет существенные недостатки: температура хранения ограничена температурой таяния льда (обычно температура воздуха на ледяных складах 5- 8°С), в ледник необходимо закладывать количество льда, достаточное на весь период хранения, и добавлять по мере необходимости; 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 таяния льда опускается ниже. Это объясняется тем, что добавление соли вызывает ослабление молекулярного сцепления и разрушение кристаллических решеток льда. Таяние 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 называется эвтектическим, а температура его таяния - криогидратной точкой. Криогидратная 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 па 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).

Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли -21,2°С, а теплота плавления - 236 кДж/кг. Эвтектический раствор применяют для зероторного охлаждения. Для этого в зероты - наглухо запаяннные формы - заливают эвтектический раствор поваренной соли и замораживают их. Замороженные зероты используют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждаемых переносных сумок-холодильников и т. д. В торговле льдосоляное охлаждение широко применялось до массового выпуска оборудования с машинным способом охлаждения.

Охлаждение сухим льдом основано на свойстве твердой углекислоты сублимировать, т. е. при поглощении тепла 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/кг.

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 углекислота, которая является консервирующим средством, способствующим лучшему сохранению продуктов.

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.

В последнее время в связи с энергетическим кризисом, загрязнением окружающей среды все 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 3) подземных высокоазотных газов. Себестоимость очищенного азота на порядок ниже, чем азота, полученного с помощью метода разделения воздуха.

Машинное охлаждение - способ получения холода за счет изменения агрегатного состояния хладагента, кипения его при низких температурах с отводом от охлаждаемого тела или среды необходимой 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 всех 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 целесообразность 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 основных узлов: испарителя, компрессора, конденсатора, ресивера, фильтра, терморегулирующего 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 электродвигателем.

Испаритель - охлаждающая батарея, которая поглощает тепло окружающей среды за счет кипящего в ней при низкой температуре хладагента. В зависимости от вида охлаждаемой среды различают испарители для охлаждения жидкости и воздуха.

Рис. Схема устройства компрессионной холодильной машины:

1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - ресивер; 4 - фильтр; 5 -

терморегулирующий вентиль; 6 - испаритель; 7 - охлаждаемая

камера; 8 - электродвигатель; 9 - магнитный пускатель; 10 -

кнопочный вклю чатель; 11 - реле давления

Компрессор 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 сжижения паров хладагента путем их охлаждения. По виду охлаждающей среды конденсаторы выпускают с водяным и воздушным охлаждением. Конденсаторы с принудительным движением воздуха имеют вертикально расположенные плоские змеевики из медных или стальных оребренных труб Естественное воздушное охлаждение применяется только в холодильных машинах бытовых электрохолодильников Конденсаторы с водяным охлаждением бывают кожухозмеевиковые 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 хлад агента 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 холодильном машины. Избыток жидкого хладона в испарителе вследствие влажного хода компрессора может привести к возникновению гидравлического удара. При недостаточном заполнении испарителя жидкостью часть поверхности его не используется, что ведет к нарушению нормального режима работы машины и понижению температуры испарения хладагента.

Регулятор давления состоит из прессостата (регулятора низкого давления) и маноконтроллера (выключателя высокого давления). Для регулировки температурного режима в определенных пределах необходимо, чтобы холодопроизводительность холодильной машины всегда превышала приток тепла к ней. Поэтому 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, где задерживаются механические примеси (песок, окалина и др.).

Очищенный от примеси хладон, проходя через узкое (отверстие 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 электродвигателе контакты реле 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 испарителе 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 испарителе будет расти до тех пор, пока прессостат реле 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 испарителе до предела, при котором реле 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 испарителе 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 холодопроизводительность 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 соединения 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. Поэтому он имеет высокий коэффициент теплоотдачи. Стоимость аммиака невысока по сравнению с другими хладагентами

Как известно, некоторые хладагенты обладают озоноразрушающей способностью, что не может не тревожить международную общественность

Способность хлорсодержащих хладагентов вызывать этот процесс называется озоноразрушающим потенциалом - ОРП (рис 3 2)

Рис. Озоноразрушающий потенциал

Способность различных веществ вызывать процессы глобального потепления называется потенциалом глобального потепления - ПГП (рис 3.3)

Рис. Потенциал глобального потепления

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)

Рис. Срок жизни хладагентов в атмосфере

В 1985 г. в Вене была принята Конвенция о защите озонового слоя. К ней присоединились 127 государств, включая Россию и страны СНГ.

В 1989 г. вступил в силу Монреальский протокол о постепенном сокращении, а затем и о полном прекращении в 2030 г. выпуска озоноразрушающих хладагентов. К опасным группам были отнесены хладоны R-11, R-12, R-113, R-114, R-115, R-12B1, R-13B1, R-114B2. В 90-х гг. текст протокола был ужесточен путем введения ограничений не только на производство, но и на торговлю, экспорт и импорт любой холодильной техники, содержащей озоноразрушающие вещества.

Российская Федерация приняла на себя обязательства, вытекающие из Монреальского протокола об охране озонового слоя. Согласно принятым решениям, R-502 запрещен к производству с 1 января 1996 г. Для R-22 установлены более отдаленные сроки - сокращение производства и использования с 2005 г. и полный запрет начиная с 2020 г.

Для замены R-502 и R-22 основными мировыми производителями химической продукции были разработаны и выпускаются переходные (с содержанием хлорфторуглеводородов) и озонобезопасные (состоящие только из фторуглеводородов) смеси хладагентов.

К переходным хладагентам относятся R-402, R-403B и R-408A, которые могут использоваться в действующем оборудовании. Большая часть этих новых рабочих веществ появилась сегодня на российском рынке.

Озонобезопасные хладагенты R-507, R-404A, R-134A можно рекомендовать как для работы в новом оборудовании, так и для реконструкции низкотемпературных холодильных систем. Они разработаны для замены R-22 в действующем и выпускающему в настоящее время оборудовании.

Для производителей все более трудным становится рациональный подбор хладагента применительно к конкретному объекту. Поэтому проблема использования в качестве хладагентов природных веществ, и в первую очередь аммиака, наиболее актуальна сейчас у производителей холодильного оборудования.

Аммиачные холодильные установки эксплуатируются уже около 120 лет. В России подавляющая часть потребности в холоде для стационарных холодильников обеспечивается именно аммиачными холодильными установками.

В 90-х гг. и в Западной Европе значительно расширилось использование аммиака, поскольку он:

Не разрушает озоновый слой,

Не оказывает прямого воздействия на глобальный тепловой эффект;

Обладает отличными термодинамическими свойствами;

Имеет высокий коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации;

Имеет высокую энергетическую эффективность в холодильном цикле;

Обладает низкой стоимостью, производство его доступно, проблемы его воспламеняемости и токсичности сегодня разрешимы, что делает его привлекательным для производителей холодильного оборудования.

Холодильные машины и агрегаты. Холодильная машина представляет собой совокупность механизмов, аппаратов и приборов, последовательно соединенных в систему производства искусственного холода. Компактные, конструктивные объединения отдельных или всех элементов холодильной машины называют холодильным агрегатом.

По виду применяемого хладагента различают аммиачные и хладоновые холодильные агрегаты. По конструктивным особенностям компрессоров агрегаты подразделяют на открытые и герметичные, а конденсаторов - с воздушным и водяным охлаждением.

В зависимости от состава входящих в них элементов холодильные агрегаты бывают компрессорные, компpeccopно-конденсаторные, испарительно-регулирующие, испарительно-конденсаторные и комплексные агрегаты. На предприятиях торговли применяют компресорно-конденсаторные агрегаты и при охлаждении с помощью теплоносителя - испарительно-регулирующие агрегаты.

Компрессорно-конденсаторный агрегат состоит из компрессора, конденсатора (воздушного или водяного охлаждения), электродвигателя, приборов автоматики и вспомогательных аппаратов (ресиверы, осушители, теплообменники и др.). Испарителъно-регулирующий агрегат - это конструктивное соединение испарителя, вспомогательной аппаратуры, регулирующей станции и приборов автоматики. Комплексные агрегаты включают все элементы холодильной машины.

Холодильные машины поставляют отдельно и в комплекте с торговым холодильным оборудованием. В комплект оборудования входит встроенная испарительная батарея и вмонтированный или отдельно упакованный холодильный агрегат. Если агрегат предназначен для установки вне оборудования, в его комплект должны входить монтажные медные трубки.

Для охлаждения сборных камер, шкафов, прилавков и витрин применяют хладоновые холодильные агрегаты холодопроизводительностью до 3 тыс. ккал/ч. Это в основном компрессорно-конденсаторные агрегаты, pa6oтающие на хладоне-12 и хладоне-22. В зависимости от расположения электродвигателя и способа передачи механической энергии различают агрегаты открытого типа, а также герметичные.

В агрегаты открытого типа электродвигатель монтируется отдельно от компрессора, а передача механической энергии осуществляется шкиво-ременным механизмом.

Герметичные холодильные агрегаты являются наиболее перспективными. Герметичность системы достигается за счет применения сварного кожуха, сокращения количества разъемных соединений и использования термостата вместо реле давления. По сравнению с агрегатами открытого типа герметичные обладают значительными преимуществами.

За счет объединения электродвигателя и компрессора в узел с единым эксцентриковым валом отпала потребность в Передаточном механизме. Это позволило сократить массу и размеры компрессора и агрегата, увеличить скорость вращения вала до 3 тыс. об/мин.

В герметичном агрегате благодаря сокращению количества разъемных соединений, отсутствию сальников уменьшилась утечка хладона, что позволило сократить его рабочий запас в системе. Снизился и эксплуатационный расход хладагента, так как отпала необходимость в периодической дозаправке машин.

Охлаждение обмотки электродвигателя потоком всасываемых паров хладона позволило повысить нагрузку на электродвигатель, снизить его параметры, мощность, габaриты и массу. Например, при равной холодопроизводительности номинальная мощность электродвигателя герметичного агрегата на 40% меньше, чем агрегата открытого типа. В связи с этим значительно снижается расход электроэнергии.

Герметичные агрегаты обладают важным для магазинов, особенно торговых залов, качеством - относительно невысокий уровень издаваемого шума. Снижение размеров агрегатов позволяет рациональнее использовать складскую торговую площадь, а также емкость торгового холодильного оборудования.

Назначение и принцип действия отдельных элементов герметичных машин несколько отличается от машин открытого типа. Автоматическое управление работой герметичной холодильной машины осуществляется не прессостатом реле давления), а термостатом (реле температуры). Защита электродвигателя от перегрева и конденсатора от избыточного давления обеспечивается тепловым реле компрессора.

Ниже дается характеристика основных узлов холодильных машин.

Холодильные агрегаты ACL 88TN (рис 35) и АСР 12TN выполненные на базе лицензионных компрессоров фирмы Electrolux, имеют небольшие размеры и низкий уровень шума. Предназначены они для установки в торговое холодильное оборудование как отечественного, так и импортного производства.

Рис. Холодильный агрегат ACL 88TN

Холодильные агрегаты ВС 4000 (2) и ВН 2000 (2) - агрегаты с компрессорами спирального типа фирмы Copeland (рис 36).

Применение компрессора спирального типа значительно повысило надежность изделия как по сравнению с герметичными поршневыми, так и с компрессорами открытого типа Спиральный компрессор не имеет клапанов и при правильной эксплуатации не может заклиниться.

Холодильный агрегат ВН 2000 (2) применяется в низкотемпературных камерах объемом 12-14 м, где может обеспечить температуру до -18 С.

Холодильный агрегат ВС 4000 (2) предназначен для охлаждения среднетемпературных камер объемом 24-30 м 3 Технические характеристики холодильных агрегатов приведены в табл.

Рис. Холодильный агрегат ВС 4000 (2)

Компрессорно-конденсаторные установки серий SM MX с герметичным и полугерметичным компрессором рис 3 7), имеющим внутреннюю защиту электродвигателя, электрическим щитом управления, защищенным от воздействия внешней среды, могут устанавливаться вне помещения, на улице.

Технические характеристики холодильных агрегатов

	ВН 2000(2)	BC 4000(2)	ACI 88 IN	ACP12TN
Хладагент	R22	R22	R22	R22
Диапазон температур кипения хладагента, °С	-45 -15	-25 -5	-25 -5	-25 -5
Температура окружающей среды, °С	+5 +45	+5 +45	+5 +45	+5 +45
Холодопроизводительность при температуре кипения хладагента 15°С (для ВН 2000(2) при -35°С) и температуре окружающего воздуха 20°С, Вт	2010	4360	600	800
Компрессор	ZF09K4E Сореland	ZS21K4E Сореland	L88TN Electrolux	P12TN Electrolux
Электродвигатель напряжение, В. частота вращения об/мин	380 3000	380 3000	220 3000	220 3000
Габариты, мм	860x560x610	860x560x610	440x380x255	440x380x255
Maccа, кг	90	90	30	30

Смонтированы в звукоизолирующем корпусе из оцинкованной стали. Техника серии SM и MX создает и поддерживает температуру от 5 до -30 С.

Установки эффективно работают в холодильных камерах на торговых предприятиях, а также широко применяются для охлаждения складских помещении.

Моноблок (рис 3 8) представляет собой единый блок, включающий в себя герметичный компрессор, воздушный конденсатор, воздухоохладитель и электронную панель управления. Моноблок устанавливают на сборных холодильных камерах с толщиной стены не более 120 мм, монтируя его в отверстие панели камеры на стене или потолке.

Рис. Компрессорно-конденсаторная установка

Рис 3 8. Моноблок

Сплит-система (рис. 3.9) - это полностью укомплектованное холодильное оборудование, состоящее из двух раздельных частей Применяется для охлаждения стационарных холодильных камер.

Рис. Сплит-система

Система автоматики обеспечивает в холодильной камере поддержание требуемой температуры, защиту от аварийных режимов и периодическое оттаивание воздухоохладителя.

Все оборудование поставляется с мониторами защиты, контролирующими напряжение питающей электросети.

Работает от сети с напряжением 220 или 380 В, сохраняет холод при температуре окружающего воздуха до 45°С,

Крупнейшим в мире производителем компрессоров холодопроизводительностью от 1 до 173 кВт для торгового холодильного оборудования, кондиционирования воздуха, тепловых насосов является фирма "Копланд" ("Copeland").

Герметичные поршневые компрессоры "Копланд" moизводятся по спецификациям, обеспечивающим их применение в любом климатическом поясе земного шара, что достигается благодаря широкому диапазону рабочих напряжений электродвигателей. Эти компрессоры производятся для работы на сертифицированных хладагентах и высококачественных смазочных маслах известных мировых фирм в высокотемпературном (выше 0°С), среднетемпературном (от 0°С до -15°С) и низкотемпературном (от -15°С до - 20°С) режимах.

С внедрением герметичных компрессоров появилась и новая гамма компрессорно-конденсаторных агрегатов с воздушным охлаждением. Эта новая номенклатура, привлекающая многими своими характеристиками, как стандартными, так и вводимыми по просьбе заказчиков, предназначена для работы с экологически безопасными хладагентами R-22 и R-134A. Она обладает широким диапазоном производительности и высоким энергетическим КПД. Все агрегаты [имеют бесшумный и плавный ход.

Предлагаются две основные гаммы агрегатов. Гамма HAN с обычным размером конденсатора применяется в целях обеспечения:

Режима стандартного хранения, когда температура закладываемого продукта не более чем на 10°С выше установленной в хранилище температуры;

Компактности и низкой стоимости;

Эксплуатации в условиях нормальной температуры окружающей среды.

Гамма HAL с более мощным конденсатором применяется, когда:

Величина нагрузки на агрегат часто и резко меняется во времени (при периодической загрузке одновременно больших количеств продукта или необходимости быстрого охлаждения продуктов, например, молока);

Необходимо достичь высокого энергетического КПД, что обеспечивает низкие эксплуатационные расходы;

Работа предстоит в условиях повышенной температуры окружающей среды.

Бессалъниковые холодильные компрессоры "Копланд" объединяют в себе последние конструкторские разработки преимуществами новейших хладагентов. Бессальниковые компрессоры имеют высокую производительность, длительный срок службы и широкий диапазон применения (высоко-, средне- и низкотемпературный режим эксплуатации).

Модели DLH, D6C, Discus, а также двухступенчатые компрессоры имеют устройства подключения дифференциального механического реле давления масла или электронный датчик системы защиты по давлению масла Sentronic.

Все бессальниковые компрессоры способны к прямому пуску. Возможна комплектация также электродвигателями с переключением электрической цепи со "звезды" на "треугольник" при пуске или с использованием части обмотки для уменьшения пускового тока. Для оптимальных условий пуска без нагрузки может устанавливаться специальное устройство на всех моделях Discus, а также на моделях DLH.

Каждый компрессор снабжен устройством защиты электродвигателя. В однофазных электродвигателях установлено термореле защиты от перегрузки. В трехфазных электродвигателях в обмотку двигателя встроены терморезисторы.

Оборудование для регулирования холодопроизводительности может применяться для всех одноступенчатых 3-, 4-, 6- и 8-цилиндровых компрессоров. Для компрессоров D3D разработана система изменения нагрузки Moduload с особо низким потреблением электроэнергии.

Для работы в сверхнизком диапазоне температур следует применять модели Discus с системой Demand Cooling, позволяющей регулировать температуру нагнетания компрессора путем впрыска в него небольших количеств жидкого хладагента. Благодаря системе Demand Cooling одноступенчатый компрессор становится хорошей альтернативой двухступенчатому. В случае, когда температура кипения хладагента в зависимости от потребности должна заметно изменяться (например, от -50°С до -20°С), более экономически эффективной становится система Demand Cooling.

Фирма "Копланд" выпускает также спаренные (TWIN) компрессоры. Спаренные компрессоры применяются для всех двухступенчатых и Discus моделей, кроме тех, в которых имеется система Demand Cooling. Основные преимущества спаренных компрессоров: двойная холодопроизводительность, пониженная 50%-ная модуляция холодопроизводительности и высокий КПД даже при частичной нагрузке.

На базе большинства моделей бессальниковых компрессоров выпускаются компрессорно-конденсаторные агрегаты воздушного охлаждения. Они поставляются заправленными маслом, полностью укомплектованными средствами автоматики и готовыми к работе. Дополнительно по желанию заказчика в них можно установить: подогреватели картера, регулятор скорости вращения вентилятора (для регулирования температуры конденсации), защитный кожух для наружной установки, различные модификации ресивера по величине емкости.

Согласованно-спиральный компрессор "Копланд" является одним из наиболее совершенных герметичных компрессоров, применяющихся для кондиционирования воздуха, работы в режиме среднетемпературного охлаждения и теплового насоса. Диапазон рабочих температур кипения спирального компрессора - от положительных до -20°С.

По сравнению с поршневыми герметичными или бессальниковыми спиральные компрессоры имеют такие существенные преимущества, как:

Высокая надежность и повышенный срок службы благодаря меньшему числу деталей, обеспечивающих сжатие хладагента;

Устойчивость к перегрузкам;

Низкий уровень шума вследствие отсутствия клапанов и возвратно-поступательного движения деталей, а также высокой степени согласованности движения деталей благодаря запатентованному принципу "Compliance";

Более высокий коэффициент подачи хладагента в связи с отсутствием "мертвого" пространства;

Низкий уровень вибрации вследствие плавного, непрерывного сжатия;

Повышенная производительность, стабильность работы компрессора при попадании в зону сжатия механических примесей, продуктов износа или жидкого хладагента;

Малые пусковой момент и пусковые токи (пуск без нагрузки), для однофазных моделей нет необходимости в пусковом оборудовании;

Компактность и малый вес.

Холодильный коэффициент спирального компрессора при работе в стандартном европейском режиме кондиционирования воздуха достигает значения 3,37 Вт против 2,75- 2,95 Вт у поршневого герметичного аналога.

На рынке оборудования появился низкотемпературный спиральный компрессор типа Glacier, эффективно и надежно работающий при больших перепадах давления Он может работать на хладонах R-22, R-404A, R-507, R-134A при температурах кипения до -45°С.

Компрессоры "Копланд" всех типов поставляются заправленными минеральным маслом для работы R-22 или полиэфирным маслом для работы на озонобезопасных хладонах либо на R-22.

Спиральные компрессоры (рис. 3.10) предназначены для применения в кондиционерах промышленных, торговых и административных зданий.

На рынке климатического оборудования особым спросом пользуется продукция фирмы Maneurop. Ее компрессоры марки Performer, благодаря низкому уровню шума и высокой степени надежности, удовлетворяют все требования эксплуатации и запросы потребителя.

Установив компрессоры попарно, по три или четыре в ряд можно достичь производительности системы охлаждения до 180 кВт.

Отличительным признаком компрессоров марки Performer является наличие подвижного контакта между спиралями, который при помощи двух запатентованных плавающих уплотнений обеспечивает совершенную осевую герметичность и уменьшает напряжение и деформацию.

Высокая точность и современные машинные технологии обработки доказывают, что простая пленка масла - это то, что необходимо для точного уплотнения торцов спирали, уменьшения контакта между движущимися частями, сведения к минимуму трения между ними, увеличения объемной производительности и уменьшения вибрации, что гарантирует высокие эксплуатационные качества компрессора и удлиняет срок его службы.

Рис. Спиральный компрессор Performer фирмы Maneurop

Достоинствами спиральных компрессоров марки Регformer являются:

Более высокая эффективность. Контролируемые вращающиеся части с плавающими уплотнениями и усовершенствованной геометрией спиралей;

Минимальный уровень шума. Эффективная система балансировки компрессора и защита его от вибрации;

Повышенная надежность. Удлиненный срок службы из-за отсутствия трения между спиралями и охлаждение двигателя всасываемым хладагентом;

Простота установки. В большинстве моделей в качестве стандартного варианта подсоединения используются штуцеры под пайку твердым припоем или патрубки с накидной гайкой. Устройства защиты от обратного вращения, так же как и защиты самого электродвигателя, являются составной частью конструкции. Никаких дополнительных приспособлений при установке компрессора не требуется;

Большой запас масла и больший объем заправляемого хладагента, чем у большинства других компрессоров, более длительный срок эксплуатации.

Фирменный цвет окраски компрессоров синий.

Фирма Danfoss Maneurop работает над расширением диапазона мощности с 3,5 до 25 л.с. и внедряет новые хладагенты. В дополнение к разработкам в части использования озонобезопасных хладагентов R-407C и R-134A и в целях борьбы за чистоту окружающей среды фирма Danfoss Maneurop начала использовать хладагент R-410A в компрессорах мощностью от 3,5 до 6,5 л.с.

Выносное и централизованное хладоснабжение

Традиционная схема хладоснабжения торговых предприятий выполняется на основе отдельных блоков, т. е. на каждого потребителя работает отдельная холодильная установка.

Но оснащение магазинов холодильным оборудованием со встроенными компрессорами оборачивается дополнительными затратами на установку кондиционеров для отвода теплопритоков в торговые залы от встроенных агрегатов.

Теплопритоки в торговые залы от встроенных в оборудование холодильных агрегатов приводят к снижению товарооборота и росту непредусмотренных расходов.

Некомфортные для покупателя условия (высокая температура в торговом зале и высокий уровень шума, неприятные посторонние запахи) приводят к тому, что он спешит покинуть магазин, что ведет к уменьшению товарооборота;

Некомфортные для продавцов и обслуживающего персонала условия приводят к снижению качества обслуживания, следовательно, падает имидж предприятия и уменьшается товарооборот;

Срок службы встроенных агрегатов в 2-3 раза ниже, чем при использовании систем выносного хладоснабжения и в 4-6 раз ниже, чем при использовании централей, вследствие чего растут производственные затраты на обслуживание и замену оборудования;

Работа компрессорного оборудования в экстремальных условиях с предельно высокой температурой и давлением конденсации становится причиной частых выходов из строя оборудования, а это ведет к убыткам от порчи продуктов;

Дополнительные расходы на кондиционирование увеличивают на 20-30% общие расходы предприятия на энергопотребление.

Намного эффективнее системы хладоснабжения, обслуживающие нескольких потребителей, - выносное и централизованное хладоснабжение.

Выносное хладоснабжение представляет собой систему хладоснабжения на базе автономных компрессорно-конденсаторных агрегатов, располагаемых в машинном отделении, изолированном от торговых помещений. При этом каждый агрегат может обеспечивать холодом несколько потребителей.

Централизованное хладоснабжение (централь) является разновидностью выносной системы хладоснабжения. Представляет собой многокомпрессорный блок с единым микропроцессорным управлением, как правило, на базе полугерметичных поршневых или спиральных компрессоров. Для среднетемпературных и низкотемпературных потребителей используются два раздельных контура.

В настоящее время такие установки получили наибольшее распространение в крупных продовольственных магазинах и супермаркетах.

	Гипермаркет (торговый центр)	Супермаркет	Минимаркет
Общая холодопроизводительность, кВт
в том числе: по среднетемпературным потребителям (-10 °С)
по низкотемпературным потребителям (-15 °С)
	Централь	Централь/ компрессорно-конденсаторные агрегаты	Компрессорно-конденсаторные агрегаты
Средний срок службы, лет

При использовании системы централизованного хладоснабжения существенно снижаются не только эксплуатационные затраты, но зачастую и капитальные. И чем больше потребителей холода, тем выгоднее применять централизованное хладоснабжение.

Установка центрального хладоснабжения позволяет использовать теплоту конденсации для нужд отопления и подогрева технической воды.

В зависимости от холодопроизводительности и требований к ее регулированию она имеет от 2 до 6 компрессоров, включенных параллельно и имеющих общие системы нагнетания и всасывания. Такой компрессионный блок, изолированный от торговых и вспомогательных помещений, обеспечивает холодом 20-25 конечных потребителей, соединенных с ним хладомагистралями.

Кроме того, подобные системы проектируются с необходимым запасом мощности, что позволяет проводить плановoe обслуживание и экстренный ремонт любого холодильного агрегата без потерь хладоснабжения оборудования. Раньше такие системы выпускались в основном производителями престижных и дорогостоящих торговых марок. В настоящее время центральный холод доступен более широкому кругу потребителей.

Различают среднетемпературные и низкотемпературные установки централизованных систем с суммарной холодопроизводительностью до 80 кВт. Эти системы позволят рождать "бесшовную" линию витрин и до минимума снизить уровень шума в торговом зале.

Схему централизованного хладоснабжения см. на рис.

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