2 Вопрос
Чтобы охладить тело, надо его энергию передать другому телу. Но в этом случае температура охлаждаемого тела сразу же понизится по сравнению с температурой тела, которому пытаются передать энергию. Согласно первому закону термодинамики энергия может изменить форму, но уничтожить ее нельзя. Однако в процессе охлаждения превратить отнимаемое тепло в другую форму энергии невозможно.
Следовательно, передать энергию в результате прямого контакта от холодного тела более теплому невозможно. Возникает необходимость использовать какое-то третье тело (хладагент), которое воспринимало бы тепло от охлаждаемого тела, при этом температура хладагента должна быть ниже температуры охлаждаемого тела. Эту энергию хладагент должен передать нагреваемому телу (как правило, окружающей среде), и при этом он должен быть более теплым, чем окружающая среда. Естественно, что для перевода хладагента с низкого энергетического уровня (в момент контакта с охлаждаемым телом) на высокий энергетический уровень (в момент контакта с окружающей средой) необходимо затратить работу l (энергию). В этом и заключается принцип действия холодильной машины, показанный на рис.
Совокупность процессов, которые при этом осуществляет хладагент (отбор энергии, нагрев, отдача энергии, охлаждение), называется холодильным циклом. Всякая холодильная машина является тепловым насосом, так как служит для «перекачивания» энергии с низкого температурного потенциала на более высокий. В отличие от других насосов, она отдает тепла больше, чем получает, так как работа, затраченная на ее действие, превращается в тепло, которое отводится при высокой температуре вместе с теплом, взятым от охлаждаемой среды. Это отношение должно быть больше единицы. Теория холодильных машин рассматривает условия, при которых коэффициент может иметь наибольшее значение, что свидетельствует об экономичности их работы.
Паровая компрессионная холодильная машина – основной генератор искусственного холода – применяется в стационарных и транспортных холодильных установках (рефрижераторных вагонах, судах, автомобилях, на льдозаводах и др.). Она состоит из компрессора, конденсатора, регулирующего вентиля и испарителя, соединительных трубопроводов, охлаждаемого помещения (морозильной камеры), в которой находится охлаждаемый продукт.
Роль компрессора сводится к тому, чтобы откачать пары холодильного агента из испарителя, сжать их и произвести их нагнетание в конденсатор. Таким образом, он обеспечивает циркуляцию хладагента по всей системе и, что особенно важно, производит нагрев его до температуры гораздо более высокой, чем у окружающей среды. Нагрев производится в результате сжатия, когда частицы пара входят в непосредственное взаимодействие друг с другом, вследствие чего увеличивается скорость их движения. Известно, что температура тела характеризуется скоростью движения внутренних частиц.
В конденсатор пары холодильного агента поступают под высоким давлением с высокой температурой. В результате этого создаются благоприятные условия для отдачи энергии холодильным агентом в окружающую среду. Отдав энергию, холодильный агент охлаждается и конденсируется, т. е. превращается в жидкость.
Сконденсированный холодильный агент при температуре несколько выше окружающей среды направляется к регулирующему вентилю, в котором он через малое отверстие проходит в большой объем. В результате этого частицы холодильного агента распыляются, перестают воздействовать друг на друга, сокращается скорость их движения.
Таким образом, обеспечивается резкое снижение температуры до параметров ниже температуры охлаждаемого тела. Достигнуто условие отбора энергии у охлаждаемого тела.
При низкой температуре жидкость поступает в испаритель, где происходит отбор тепла от охлаждаемого тела. Этой энергии достаточно, чтобы холодильный агент нагрелся и кипел с переходом в пар. Пары холодильного агента отсасываются компрессором, и процесс повторяется.
Таким образом, обеспечивается процесс передачи тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду. При этом важно, чтобы охлаждаемое тело (продукт питания) не имел контакта с посторонними источниками тепла. Эту функцию выполняет теплоизолирующий контур (морозильная камера). Если испаритель разместить в окружающей среде (например, в море), а конденсатор в изолированном помещении, то вместо холодильной машины получается тепловая машина.
Такие машины используют для обогрева жилых помещений.
Вышеуказанные четыре элемента холодильной машины (испаритель, компрессор, конденсатор, регулирующий вентиль) являются обязательными. При отсутствии любого из них машина не обеспечивает своих функций. Для улучшения работы машины дополнительно устанавливают другие элементы. Так, иногда включают переохладитель, в котором температура холодильного агента после конденсатора дополнительно снижается и становится на 2–3 °С выше температуры окружающей среды. Для осушения паров, засасываемых компрессором, а также отделения пара от жидкости после прохождения регулирующего вентиля и испарителя служит отделитель жидкости. Большой перегрев холодильного агента обычно получают в теплообменнике за счет переохлаждения жидкости перед регулирующим вентилем. Установка теплообменника определяется тем, что пар, поступающий в компрессор, должен быть сухим, чтобы предупредить попадание жидкости в цилиндр и предотвратить гидравлический удар.
Холодильной установкой называется объединение холодильной машины с другими элементами (маслоотделителем, ресивером, рассольными батареями, насосом и др.) для распределения и потребления искусственного холода.