Искусственный холод находит широкое применение, например, при сооружении тоннелей метро в водоносных грунтах для их замораживания, для сжижения газов, хранения продуктов, в системах В, КВ. А в быту и торговле такие технологии используются в широком спектре устройств, среди которых домашние холодильники, холодильные витрины, холодильные камеры и многое другое. Как же устроены такие системы, и на какие типы их принято разделять исходя из используемых технологий?
Производство холода основано на использовании обратного кругового процесса (цикла), совершаемого в машине специальным веществом — холодильным агентом. Идеальным для холодильных установок является обратный цикл Карно. Его эффективность характеризуется теоретическим холодильным коэффициентом — отношением количества отведенной теплоты к затраченной работе.
В паровой компрессионной холодильной машине в качестве рабочих тел применяются агенты с достаточно большой теплотой парообразования и относительно высокой критической температурой. Принцип действия установок таков: компрессор сжимает пар холодильного агента, температура пара при этом возрастает. Затем он поступает в теплообменник — конденсатор, где превращается в жидкость, отдавая теплоту. После этого жидкий хладоагент пропускают через вентиль, в котором он дросселируется, давление и температура его понижаются. Полученная смесь жидкости и небольшого количества пара поступает в испаритель, где превращается в сухой пар, воспринимая теплоту.
Испаритель может размещаться непосредственно в холодильной камере (как в бытовых холодильниках) или в промежуточных охладителях рассола (например, раствора поваренной соли), не замерзающего при низких температурах. Рассол циркулирует в системе батарей, размещенных в охлаждаемом помещении. Применение процесов кипения и конденсации приближает этот цикл к обратному циклу Ренкина. Переохлаждение жидкого хладоагента повышает эффективность цикла.
В пароэжекторной холодильной установке вместо поршневого компрессора используется эжектор, работающий на паре вещества, принятого в качестве хладоагента. Для получения пара применяется специальный котел. Пар холодильного агента из испарителя поступает в эжектор. Смесь рабочего и эжектируемого пара при заданном давлении попадает в конденсатор, отдавая теплоту конденсации охлаждающей воде. Конденсат холодильного агента разделяется на два потока: один дросселируется при помощи вентиля и поступает в испаритель, где он отбирает теплоту из охлаждаемого помещения, другой насосом подается в котел.
Таким образом, компенсация процесса переноса теплоты от холодного тела к горячему в пароэжекторной установке происходит не за счет затраты электроэнергии на привод компрессора, а за счет теплоты, расходуемой в котле. Из-за меньшей стоимости теплоты по сравнению с электроэнергией производство холода обходится дешевле. Отсутствие дорогостоящего компрессора в таких установках является важным преимуществом. Необратимый характер потерь энергии в эжекторе обусловливает более низкое термодинамическое совершенство, что является недостатком установок.
В абсорбционной холодильной установке используется энергия также в виде теплоты. В парогенератор поступает концентрированный раствор аммиака. За счет теплоты водяного пара, движущегося в зме-евике, из раствора испаряется главным образом аммиак, как имеющий более низкую температуру кипения. Его пар при определенном давлении поступает в конденсатор, где превращается в жидкость за счет охлаждения водой.
Затем жидкий аммиак дросселируется вентилем, его давление падает, и он в испарителе превращается в пар, отбирая теплоту из охлаждаемого помещения. Проходя второй дроссельный вентиль, пар в абсорбере поглощается водой. Выделяемая теплота абсорбции отводится охлаждающей водой. Для поддержания одинаковой концентрации раствора в парогенераторе и абсорбере между ними установлен насос. Перед абсорбером раствор дросселируется вентилем. Для повышения экономичности применяют регенератор, в котором встречные потоки обмениваются теплотой.
