4.1. Системы и устройства охлаждения

Далее следует перейти к материалу изучаемой дисциплины. Можно изу-чить первыми теплообменники [1], с. 115…120. Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называют устройства, предназначенные для передачи теп-лоты от более нагретого теплоносителя к менее нагретому. Следует знать ос-новные типы теплообменников, последовательность их конструктивного и поверочного расчетов; понятие водяного эквивалента жидкости; порядок выбора компактных теплообменников для РЭС.

Следующими устройствами охлаждения являются нагнетатели [1], с. 121…124. Вы уже знакомились ранее с нагнетателями, сейчас необходимо более детально рассмотреть их. Первое, на что следует обратить внимание, это их деление на насосы и вентиляторы (компрессоры). Необходимо изучить осо-бенности конструкции различных типов нагнетателей: поршневых, плас-тинчатых (ротационных), центробежных, осевых, вихревых. Следует понимать, что подразумевается под напорной характеристикой, что – под полной характе-ристикой, а что – под рабочей точкой.

Следующими устройствами охлаждения являются устройства, работа которых осуществляется на термодинамических основах охлаждения [1], с. 124…128. Основными термодинамическими параметрами, характеризую­щими состояние рабочего тела (это обычно газ или пар), являются объем V, давление р и температура T, а общий вид термодинамического уравнения f(p, V, Т)=0. Вид этой функции от­личается для разных рабочих тел, которые в термодина-мике иногда называют системами. Например, уравнением состояния идеаль-ного газа является известное уравнение Менделеева—Клапейрона:

где m – масса рабочего тела; М – относительная молекулярная масса; R0 – универсальная газовая постоянная.

Обычно в термодинамике рассматриваются два состояния сис­темы. В первом случае — система с постоянным количеством веще­ства, ограниченная замкнутой поверхностью с равномерно распре­деленным внешним давлением (например, газ или пар в цилиндре). Во втором случае рассмат­ривается установившийся во времени поток вещества в закрытом канале при нерав­номерном распределении давления.

Согласно первому нача­лу термодинамики для любой изолирован­ной системы количество заключенной в ней энергии сохра­няется неизменным.

Второе начало термодинамики имеет различные формулировки, на-пример:

- теплота может производить работу в двигателе только в том случае, если темпера­турный уровень этого тела выше температуры окружающей среды;

- теплота с более низкого температурного уров­ня может быть пере-несена на более высокий температурный уровень только при затрате ра­боты.

Необходимо знать, что понимается под «процессом» и «циклом». Затем необходимо разобраться с осуществляемыми термодинамическими циклами — произвольным, обратным, Карно и холодильным. Для оценки работы холо-дильных машин применяют так называемый хо­лодильный коэффициент , равный от­ношению полезной теплоты Q₂, отнятой от холодного источника ограниченной емкости, к затраченной работе L. Следует понимать, что такое «эффект дросселирования», как он используется для охлаждения, какой эффект используется при этом, в чем сущность эффекта Джоуля – Томсона.

Следующими устройствами являются дроссельные микроохладители, компрессионные холодильные машины (КХМ), устройства термоэлектри-ческого охлаждения и устройства, работающие на охлаждении с помощью фазовых переходов [1], с. 128…136, 140…141.

Дроссельные микроохладители. Используя эффект Джоуля — Томсона, можно построить холодильную дроссельную машину. По­следние могут рабо-тать по разомкнутой (источник сжатого газа — баллон) или замкнутой (источник сжатого газа — компрессор) схе­ме. Рабочее вещество — легко конденсируемые хладагенты с поло­жительным дроссельным эффектом в об-ласти комнатных темпера­тур (углекислый газ, воздух, аргон, азот и др.). Следует понимать, зачем для ряда газов требуется перед дроссельным устрой-ством снижать температуру рабочего тела. Необходимо разобраться в приведенных в учебном пособии конструкциях таких устройств.

Компрессионные холодильные машины (КХМ). Необходимо разобраться в принципе работы таких устройств и изучить схему КХМ.

Термоэлектрическое охлаждение. В начале необходимо вспомнить (изучить) основные эффекты, на которых основана работа термобатарей.

Эффект Пельтье (1884 г.). При прохождении электри­ческого тока через цепь, составленную из разнородных проводни­ков, в местах их соединений (спаях) поглощается или выделяется поток теплоты.

Эффект Зеебека. Если спай двух разнородных материалов имеет тем-пературу, отличную от окружающей, то на концах проводников возникает термоэлектродвижущая сила.

Эффект Томсона. Если в однородном материале существу­ет градиент температур, то при пропускании тока через него будут появляться термоЭДС между отдельными его частями.

Необходимо знать не только формулировку этих эффектов, но и их математическую запись. Далее необходимо изучить работу термобатареи, математические выкладки, описывающие ее работу. Знать, что понимается под термоэлектрической добротностью термоэлемента, различать два его экстремальных режима: максималь­ного КПД и максимальной холодопроиз-водительности. При конструировании термобатарей рассчитывают и сопостав-ля­ют следующие параметры: холодопроизводительность, массу, объем, энерго-затраты, вероятность безотказной работы и т. п. Для отдель­ных систем охлаж-дения тот или иной параметр является преобла­дающим. Необходимо знать, для чего служат термобатареи, и каковы особенности термоэлектрического охлаж-дения.

Охлаждение с помощью фазовых переходов. Такие устройства просты по конструкции, надежны, потребляют мало энергии и по некоторым показателям (массе, габаритам, стабильности темпера­туры) могут быть конкурентоспособ-ными и даже превосходить дру­гие технические решения. Обычно используют два режима работы рассматриваемых устройств: хранение криогенной жидкос-ти в теп­лоизолированном контейнере и отвод теплоты от объекта при испаре-нии хладагента. Необходимо знать три основных конструктивных схемы жидкостных систем, конструкцию с использованием твердого криогенного вещества.

Следующими для изучения для 210201.65 являются вихревые и тепловые трубы [1], с. 136…142. Рассмотрим вихревые трубы. Эффект вихревого темпе-ратурного расши­рения сжатого газа открыт немецким физиком Райком в 1931 г. Необходимо рассмотреть схему вихревой трубы и принцип ее действия, а также математические зависимости, описывающие работу такого устройства, и ее характеристики; преимущества и недостатки.

Тепловые трубы (ТТ). Тепловая тру­ба — устройство, предназначенное для переноса теплового потока с одного конца трубы в другой за счет исполь-зования скрытой теп­лоты фазового превращения теплоносителя, помещенного внутри герметичной ТТ. Необходимо изучить схему ТТ и принцип ее действия, а также область ее применения и изучить примеры применения ТТ. К тепло-физическим параметрам относятся: тепловой поток, передаваемый с помощью ТТ от источника теплоты в теплообменник при заданных условиях эксплуа-тации; уровень рабочих температур; термическое сопротивление тепловой трубы.

Конструктивные параметры определяют внешние и внутренние осо-бенности конструкции ТТ, а именно: конфигурацию и наружные размеры кор-пуса, испарительной, конденсационной и транспортной зон; толщину и мате-риал стенок корпуса, устройство фитиля.

Стыковочные параметры характеризуют условия эксплуатации аппара-туры и способы сочетания последней с ТТ, например способ передачи теплоты от источника к ТТ, конструктивное оформление областей контакта в испари-тельной и конденсационной зонах, тер­мическое сопротивление контакта.