Каток летом

Летний каток уже ни для кого не новость. Но все ли знают, почему не тает чудесное ледяное зеркало?

Подо льдом, в слое бетона расположены трубы охлаждающих батарей. В них насос накачивает из бака специальный рассол с температурой —20°. Растворенные в воде поваренная соль или хлористый кальций делают температуру замерзания рассола значительно ниже, чем воды.

Охлаждая бетон, отбирая от него тепло, рассол нагревается и возвращается в бак, где помещен змеевиковый испаритель, наполненный жидким аммиаком. Здесь рассол охлаждается — отдает свое тепло аммиаку, который кипит при низкой температуре. Затем рассол возвращается в охлаждающие батареи — и цикл повторяется.

Охлаждение рассола при соприкосновении с кипящим аммиаком напоминает явление, с которым мы часто встречаемся в повседневной жизни. Если протереть одеколоном руку, он быстро испарится, и рука почувствует приятную прохладу. А если вы промокли под дождем, то необходимо поскорее переодеться, иначе влага начнет испаряться, будет отнимать тепло у тела, и вы продрогнете. Так и аммиак: превращаясь в пар, он отбирает тепло у рассола.

Компрессор отсасывает из испарителя пары аммиака и сжимает их до 10 aтм. Нагретые при сжатии пары попадают в конденсатор, где охлаждаются обычной водой и снова превращаются в жидкость. Из конденсатора жидкий аммиак опять поступает в испаритель, проходя через маленькое отверстие регулирующего вентиля. При этом давление его резко падает — до 1-2 атм. В результате он снова начинает закипать при низкой температуре.

Пока зрители наслаждаются прекрасным зрелищем балета на льду, аммиак совершает бесконечное движение по замкнутому кругу: испаритель — компрессор — конденсатор — регулирующий вентиль — и снова испаритель.

У рассола он отбирает тепло, а воде в конденсаторе — отдает. Такие вещества, отбирающие тепло у одного источника и передающие его другому, называются холодильными агентами или хладагентами. Обычно это вещества, которые кипят при низких температурах и при этом хорошо отбирают тепло. Распространенными холодильными агентами служат аммиак и фреон-12. Первый кипит при —33°,4, второй — при —29°,8.

Аммиак имеет резкий запах, вреден для человека и взрывоопасен. Фреон-12 лишен этих недостатков. Поэтому в последние годы большинство холодильных машин работает на фреоне-12, хотя стоимость его пока выше, чем аммиака, да и по своим холодильным свойствам он также ему уступает.

Холодильные машины

Как мы уже знаем, всякую жидкость можно заставить кипеть при очень низкой температуре. Для этого надо только создать соответственно низкое давление. Холодильная машина, в которой низкое давление в испарителе обеспечивается компрессором, называется компрессионной. Это самый распространенный тип холодильной машины. Она применяется для получения низких температур (до —120°). Одна из таких машин и работает на летнем катке.

Компрессионные холодильные машины используют для самых разнообразных целей. Они весьма экономичны: расход энергии, необходимой для переноса тепла от холодного источника к более теплому, у них очень незначителен.

Существуют и другие типы холодильных машин.

Основные узлы компрессионной холодильной машины.

Там, где есть дешевая тепловая энергия или много неиспользованного отработанного пара, применяют пароводяные эжекторные холодильные машины. В них из парового котла горячий пар высокого давления поступает в узкое сопло эжектора, откуда выходит с огромной скоростью и сразу попадает в специальную камеру. Чем больше скорость такой струи, тем меньше в ней давление. Следовательно, давление пара по выходе из сопла понижается, и в камере образуется разрежение — вакуум. В этот вакуум немедленно устремляются пары из соединенного с камерой испарителя. В результате в испарителе тоже создается глубокий вакуум. Вода кипит там при низкой температуре (например, при +5°) и отбирает тепло от охлаждаемого объекта.

Схема пароводяной эжекторной холодильной машины.

Пар из котла и пар из испарителя смешиваются и поступают в расширяющуюся трубу — диффузор, который значительно шире камеры. Здесь скорость струи пара постепенно снижается и давление в ней увеличивается. Когда пары достигнут конденсатора, давление их настолько повысится, что охлаждение водой уже может превратить их в жидкость.

Из конденсатора часть этой воды через регулирующий вентиль поступает в испаритель, а другая часть — в паровой котел. Там она снова превращается в пар высокого давления и подается в эжектор.

Абсорбционные холодильные машины тоже основаны на охлаждающем эффекте кипящей жидкости. Испаритель с аммиаком здесь обычно расположен в охлаждаемой камере или в баке для охлаждения рассола. Аммиак кипит и, отбирая тепло от воздуха, находящегося в камере, охлаждает его. В абсорбционных машинах отводит пары из испарителя и понижает в нем давление не компрессор, а сосуд с водой — абсорбер.

Растворяясь в воде, пары аммиака выделяют тепло. Для отвода этого тепла и более интенсивного растворения аммиака сам абсорбер тоже охлаждается водой.

Насос постоянно подает крепкий раствор аммиака с водой из абсорбера в генератор. Там его нагревает проходящий по трубам горячий пар. В абсорбционных домашних холодильниках такой раствор подогревается электроспиралью или газовой горелкой. При нагреве из раствора выделяются пары аммиака высокого давления. Они поступают в конденсатор, охлаждаются там водой или воздухом и превращаются в жидкость. При прохождении через регулирующий вентиль в испарителе давление жидкого аммиака резко падает. Поэтому в испарителе он снова закипает и отбирает тепло от охлаждаемого объекта. Оставшийся в генераторе слабый водоаммиачный раствор через другой регулирующий вентиль возвращается в абсорбер, где поглощает новые порции аммиака, идущего из испарителя.

Схема абсорбционной холодильной машины.

В абсорбционных холодильных машинах используется дешевая энергия отработанного пара или отработанных газов двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, в них нет компрессора, который создает шум при работе и требует ухода за собой. В последние годы получили применение бромистолитиевые абсорбционные машины, в которых холодильным агентом служит вода, а абсорбирующим веществом — бромистый литий.

В настоящее время холод получают также с помощью полупроводников. Созданы образцы холодильных шкафов с применением термоэлементов, соединенных в батареи. При прохождении тока одна поверхность этой холодильной полупроводниковой батареи охлаждается, а другая — нагревается. Холодная поверхность ее отбирает тепло от воздуха внутри шкафчика, а через наружную поверхность тепло передается окружающему воздуху. Подробнее о свойствах полупроводников, в частности термоэлементов, можно узнать в разделе «Вещество и энергия».

У полупроводников большое будущее в области получения искусственного холода.