1. Холодильні машини

1.1. Основні процеси отримання штучного холоду

Охолодження – процес відводу теплоти від охолоджуючого тіла до іншого тіла (середовища), яке має більш низьку температуру. Отримання низьких температур може бути досягнуто при виконанні слідуючих процесів: зміни агрегатного стану робочого тіла; розширення робочого тіла з виконанням зовнішньої корисної роботи; дроселювання робочого тіла (ефект Джоуля – Томпсона); реалізація вихрового ефекту (ефект Ранка –Хільша); термоелектричне охолодження (ефект Пельтьє).

Охолодження при зміні агрегатного стану робочого тіла. Всі речовини, які беруть участь в реалізації процесів отримання штучного холоду, отримали назву робочих тіл. Для отримання штучного холоду використовують процеси, які протікають з поглинанням теплоти. До цих процесів відносяться плавлення, сублімація, кипіння.

Плавлення – перехід робочого тіла з твердого агрегатного стану в рідкий. Доволі часто цей процес називають таненням. Найбільш доступним і тому використовуваним в холодильній техніці робочих тіл в твердому агрегатному стані являється водяний лід. Температура плавлення льоду 0 ^оС, а теплота плавлення одного кілограму льоду складає 335 кДж.

Кипіння – процес перетворення робочого тіла з рідкого агрегатного стану в пароподібний. Існує велике число робочих тіл з температурами кипіння нижче температури навколишнього середовища. Враховуючи, що температура кипіння рідкого робочого тіла залежить від тиску, можна регулювати дану температуру зміною тиску. Цей процес покладений в основу більшості сучасних холодильних машин.

Сублімація – процес переходу з твердого агрегатного стану в газоподібний, минаючи рідку фазу. Прикладом робочого тіла, яке переходить з твердого стану в пароподібний при барометричному тиску, є диоксид вуглецю СО₂. Дане робоче тіло називають ще твердою вуглекислотою чи сухим льодом. Перехід твердої вуглекислоти в пароподібний стан здійснюється при температурі – 78,9 ⁰С. Питома масова теплота сублімації цієї речовини r =575 кДж/кг.

Охолодження при розширені газоподібного тіла із здійсненням корисної роботи. Якщо тиск газоподібного робочого тіла різко понизиться і відвести роботу розширення, то температура газу понизиться. Процес, зворотного стискання парів в компресорі, здійснюється в спеціальних машинах, отримавши назву детандери.

Охолодження при дроселюванні робочого тіла

Дроселюванням – називають процес пониження тиску робочого тіла в рідкому чи пароподібному стані без здійснення корисної роботи. На практиці цей процес реалізують при проході рідини або пару через отвір невеликого розміру чи спеціального пристрою з невеликим прохідним перерізом з ємності із високим тиском в ємність низького тиску. В якості звужуючого пристрою може використовуватись діафрагма з каліброваним отвором регулюючись вентилем або краном.

Охолодження за рахунок вихрового ефекту. Штучне охолодження, яке базується на розширенні стиснутого газоподібного тіла, з подальшим поділом потоків на теплий та холодний в спеціальному пристрої, отримало назву вихрового ефекту. Прилад для реалізації даного ефекту називають вихровою трубою.

Рис.1.Вихрова труба

1- дросельний вентиль; 2- сопло;3- отвір в діафрагмі.

Термоелектричне охолодження. Термоелектричне охолодження в холодильній техніці вельми перспективне і набуває все більш практичного значення.

Початок покладений французьким фізиком Ж. Пельтьє в 1834р., який встановив, що при проходженні електричного струму в ланцюгу, який складається з двох різних провідників, один із спаїв провідника охолоджується, а інший нагрівається. Іншими словами, за допомогою ефекту Пельтьє можна охолоджувати або нагрівати деякий об’єкт.

Основою будь-якого термоелектричного пристрою являється термопари, які складаються, як правило, з двох напівпровідників (або віток) n – і р – типу. Коли електрони проходять з матеріалу р – типу в матеріал n -типу крізь електричний контакт, їм доводиться долати потенціальний бар’єр і забирати для цього енергію в кристалічній решітці (холодний спай). Навпаки при переході з матеріалу n –типу в матеріал р – типу електрони віддають енергію решітці (гарячий спай).

Рис.2. Термоелектричне охолодження

а)- напівпровідниковий термоелемент; б)- термобатарея

1,2- напівпровідники; 3- спаї.