Виды систем охлаждения

Охлаждение бытовое и промышленное

Каковы виды систем охлаждения и  какие методы охлаждения применяются в холодильных системах.

Этот способ охлаждения обычно используется для охладителей небольшого размера или морозильников. Например, наши электрические кулеры и 25-литровый стеклянный холодильник для напитков T-25.
Этот способ охлаждения обычно используется для охладителей небольшого размера или морозильников. Например,  электрические кулеры и 25-литровый стеклянный холодильник для напитков T-25.

Охлаждение — это процесс, в котором выполняются работы по переходу тепла из одного места в другое. Эта работа традиционно осуществляется с помощью механических работ, но также может выполняться магнетизмом, лазером или другими средствами. Холодильное оборудование имеет много применений, в том числе, но не ограничиваясь: бытовые холодильники, промышленные морозильники, криогеники, кондиционеры и тепловые насосы.

Исторические данные про охлаждение

Сбор льда

Использование льда для охлаждения и, таким образом, сохранения пищи происходит в доисторические времена. В течение веков сезонная сбор снега и льда была обычной практикой большинства древних культур: китайцев, греков, римлян, персов. Лед и снег хранились в пещерах или землянках, облицованных соломой или другими изоляционными материалами. Персы хранили лед в яме, называемой яхчалом. Нормирование льда позволило сохранить продукты питания в теплые периоды. Эта практика хорошо зарекомендовала себя на протяжении веков, когда ледники остаются в употреблении в XX веке.

В XVI веке открытие химического охлаждения стало одним из первых шагов к искусственным средствам охлаждения. Нитрат натрия или нитрат калия при добавлении в воду понижал температуру воды и создавал своего рода охлаждающую ванну для охлаждающих веществ. В Италии такое решение использовалось для охлаждения вина и тортов.

В первой половине XIX века сбор урожая льда стал крупным бизнесом в Америке. New Englander Frederic Tudor, ставший известным как «Ледяной король», работал над разработкой лучших изоляционных материалов для доставки больших ледовых дистанций, особенно в тропики.

Первые холодильные системы

Первый известный метод искусственного охлаждения был продемонстрирован Уильямом Калленом из Университета Глазго в Шотландии в 1756 году. Каллен использовал насос для создания частичного вакуума над контейнером диэтилового эфира, который затем кипятил, поглощая тепло из окружающего воздуха. Эксперимент даже создал небольшое количество льда, но в то время не имел практического применения.

В 1758 году Бенджамин Франклин и Джон Хэдли, профессор химии в Кембриджском университете, провели эксперимент по изучению принципа испарения как средства быстрого охлаждения объекта. Франклин и Хэдли подтвердили, что испарение высоколетучих жидкостей, таких как спирт и эфир, может быть использовано для снижения температуры объекта, прошедшего через точку замерзания воды. Они провели свой эксперимент с лампой ртутного термометра в качестве объекта и с сильфоном, используемым для «ускорения» испарения; они понизили температуру термометра до 7 ° F (-14 ° C), тогда как температура окружающей среды составляла 65 ° F (18 ° C). Франклин отметил, что вскоре после того, как они прошли точку замерзания воды (32 ° F), тонкая пленка льда образовалась на поверхности лампы термометра и что масса льда составляла около четверти дюйма, когда они остановили эксперимент, достигнув 7 ° F (-14 ° C). Франклин заключил: «Из этого эксперимента можно увидеть возможность замораживания человека до смерти в теплый летний день».

В 1805 году американский изобретатель Оливер Эванс разработал, но никогда не строил, систему охлаждения, основанную на цикле охлаждения парового сжатия, а не на химических растворах или летучих жидкостях, таких как этиловый эфир.

В 1820 году британский ученый Майкл Фарадей сжижал аммиак и другие газы, используя высокие давления и низкие температуры.

Американцы, живущие в Великобритании, Джейкоб Перкинс, получили первый патент на систему охлаждения с паровым сжатием в 1834 году. Перкинс создал прототипную систему, и она фактически работала, хотя она не преуспела в коммерческих целях.

В 1842 году американский врач Джон Горри разработал первую систему охлаждения воды для производства льда. Он также задумал использовать свою холодильную систему для охлаждения воздуха для комфорта в домах и больницах (то есть в кондиционировании воздуха). Его система сжатого воздуха, а затем частично охладила горячий сжатый воздух водой, прежде чем позволить ему расширяться, выполняя часть работы, необходимой для привода воздушного компрессора. Это изоэнтропическое расширение охладило воздух до температуры, достаточно низкой, чтобы заморозить воду и произвести лед, или течь «через трубу для осуществления охлаждения в противном случае», как указано в его патенте, предоставленном Патентным ведомством США в 1851 году. Горри построил рабочий прототип, но его система была коммерческой неудачей.

Александр Твининг начал экспериментировать с парокомпрессионным холодильником в 1848 году и получил патенты в 1850 и 1853 годах. Ему приписывают начало коммерческого охлаждения в Соединенных Штатах к 1856 году.

Между тем в Австралии Джеймс Харрисон начал работу механической ледогенерационной машины в 1851 году на берегах реки Барвон в Скали-Пойнт в Джилонге, штат Виктория. Его первая коммерческая машина для производства льда последовала в 1854 году, а его патент на систему охлаждения с псевдоожиженным слоем с жидким паром был предоставлен в 1855 году. Харрисон представил коммерческое охлаждение паровым компрессом для пивоваренных заводов и мясокомбинатов, а к 1861 году дюжину его системы.

Австралийские, аргентинские и американские концерны экспериментировали с рефрижераторами в середине 1870-х годов; первый коммерческий успех пришел, когда Уильям Солтау Дэвидсон установил компрессионную холодильную установку для новозеландского судна Dunedin в 1882 году, что привело к мясной и молочной бум в Австралии и Южной Америке. J & E Hall of Dartford, Англия, оснастил «SS Selembria» системой сжатия пара, чтобы в 1886 году вывести 30 000 туши баранины с Фолклендских островов.

Первая газопоглощающая холодильная система с использованием газообразного аммиака, растворенного в воде (называемая «аква-аммиак») была разработана Фердинандом Карре из Франции в 1859 году и запатентована в 1860 году. Из-за токсичности аммиака такие системы не были разработаны для использования в дома, но были использованы для производства льда для продажи. В Соединенных Штатах потребительская общественность в то время все еще использовала ледяную коробку со льдом, привезенную от коммерческих поставщиков, многие из которых все еще собирали лед и хранили его в ледяном доме.

Таддеус Лоу, американский воздухоплаватель гражданской войны, экспериментировал на протяжении многих лет со свойствами газов. Одним из его основных предприятий было производство водорода большого объема. Он также занимал несколько патентов на льдогенераторах. Его «Машина компрессионного льда» революционизировала бы индустрию холодного хранения. В 1869 году другие инвесторы и он купил старый пароход, на который они загрузили одну из холодильных установок Лоу, и отправил свежие фрукты из Нью-Йорка в район побережья Мексиканского залива, а также свежее мясо из Галвестона, штат Техас, в Нью-Йорк. Из-за недостатка знаний Лоу о судоходстве бизнес был дорогостоящим провалом, и общественности было трудно привыкнуть к идее о потреблении мяса, которое так долго выходило из упаковочного дома.

Бытовые механические холодильники стали доступны в США в 1911 году.

Широкое коммерческое использование холодильных установок

К 1870-м годам пивоваренные заводы стали крупнейшими пользователями коммерческих холодильных установок, хотя некоторые из них все еще полагались на собранный лед. Несмотря на то, что на рубеже 20-го века индустрия ледоколов сильно выросла, загрязнение и сточные воды начали проникать в естественный лед, что стало проблемой в столичных пригородах. В конце концов, пивоварни начали жаловаться на испорченный лед. Это вызвало спрос на более современные и готовые к употреблению холодильные и морозильные машины. В 1895 году немецкий инженер Карл фон Линде создал крупномасштабный процесс производства жидкого воздуха и, в конечном счете, жидкого кислорода, для использования в безопасных бытовых холодильниках.

Рефрижераторные вагоны были введены в США в 1840-х годах для краткосрочной транспортировки молочных продуктов. В 1867 году Ю.Б. Сазерленд из Детройта, штат Мичиган, запатентовал холодильную машину, сконструированную с баками для льда на обоих концах автомобиля, и вентиляционные клапаны у пола, которые создавали бы гравитационную тягу холодного воздуха через автомобиль.

К 1900 году в мясокомбинатах Чикаго было принято коммерческое холодильное оборудование на основе аммиака. К 1914 году почти в каждом месте использовалось искусственное охлаждение. Крупные мясорубки, Броня, Свифт и Уилсон, купили самые дорогие единицы, которые они установили на вагонах поездов, в филиалах и хранилищах в более отдаленных районах распространения.

Только в середине 20-го века холодильные агрегаты были предназначены для установки на грузовиках или грузовиках. Рефрижераторные транспортные средства используются для перевозки скоропортящихся продуктов, таких как замороженные продукты, фрукты и овощи и химикаты, чувствительные к температуре. Большинство современных холодильников поддерживают температуру от -40 до 20 ° C и имеют максимальную полезную нагрузку весом около 24 000 кг (в Европе).

Домашнее и потребительское использование хладагентов

С изобретением синтетических хладагентов, основанных главным образом на хлорфторуглеродном (CFC) химикате, более безопасные холодильники были возможны для домашнего и потребительского использования. Фреон является товарным знаком корпорации Dupont и относится к этим ХФУ, а позднее к гидрохлорфторуглероду (ГХФУ) и гидрофторуглероду (ГФУ), хладагентам, разработанным в конце 1920-х годов. В то время эти хладагенты считались менее вредными, чем обычно используемые хладагенты того времени, включая метилформиат, аммиак, метилхлорид и диоксид серы. Цель заключалась в том, чтобы обеспечить холодильное оборудование для домашнего использования без опасности: эти хладагенты ХФУ ответили на эту потребность. Однако в 1970-х годах было установлено, что соединения реагируют с атмосферным озоном, важная защита от солнечного ультрафиолетового излучения, и их использование в качестве хладагента во всем мире было ограничено в Монреальском протоколе 1987 года.

Текущие применения холодильного оборудования

Вероятно, наиболее широко используемые современные холодильные установки предназначены для частных домов и общественных зданий для кондиционирования воздуха, а также для холодильных продуктов питания в домах, ресторанах и больших складских помещениях. Использование холодильников в кухнях для хранения фруктов и овощей позволило добавить свежие салаты в современную диету круглый год и безопасно хранить рыбу и мясо в течение длительного времени.

В торговле и производстве существует много применений для охлаждения. Например, охлаждение используется для сжижения газов — кислорода, азота, пропана и метана. При очистке сжатого воздуха его используют для конденсации водяного пара из сжатого воздуха для снижения его влажности. На нефтеперерабатывающих заводах, химических заводах и нефтехимических заводах холодильное оборудование используется для поддержания определенных процессов при их низких температурах (например, при алкилировании бутенов и бутана с получением высокооктанового бензинового компонента). Металлические рабочие используют охлаждение для закалки стали и столовых приборов. При транспортировке чувствительных к температуре пищевых продуктов и других материалов на грузовиках, поездах, самолетах и морских судах необходимо охлаждение.

Молочные продукты постоянно нуждаются в холодильном оборудовании, и в последние несколько десятилетий было обнаружено, что яйца должны быть охлаждены во время отгрузки, а не ждать охлаждения после прибытия в продуктовый магазин. Мясо, птица и рыба все должны храниться в условиях, контролируемых климатом, перед продажей. Охлаждение также помогает держать фрукты и овощи съедобными дольше.

Одним из самых влиятельных применений холодильного оборудования было развитие промышленности суши / сашими в Японии. До открытия холодильного оборудования многие ценители суши подвергались риску заражения болезнями. Опасности неохлаждаемых сашими не выявлялись на протяжении десятилетий из-за отсутствия исследований и распространения здравоохранения в сельской Японии. Примерно в середине века корпорация Zojirushi, расположенная в Киото, сделала прорыв в дизайнах холодильников, сделав холодильники более дешевыми и доступными для владельцев ресторанов и широкой общественности.

Способы охлаждения

Каковы способы охлаждения в холодильных установках?

Методы охлаждения можно классифицировать как:

  • нециклические
  • циклические
  • термоэлектрические
  • магнитные

Нециклическое охлаждение

При нециклическом охлаждении охлаждение осуществляют путем таяния льда или сублимационного сухого льда (замороженный углекислый газ). Эти методы используются для мелкомасштабного охлаждения, например, в лабораториях и мастерских или в переносных охладителях.

Лед обязан своей эффективностью в качестве охлаждающего агента до температуры плавления 0 ° C (32 ° F) на уровне моря. Чтобы расплавиться, лед должен поглотить 333,55 кДж / кг (около 144 БТЕ / фунт) тепла. Пищевые продукты, поддерживаемые вблизи этой температуры, имеют увеличенный срок хранения.

Твердый диоксид углерода не имеет жидкой фазы при нормальном атмосферном давлении и возгоняется непосредственно из твердой фазы в парообразную фазу при температуре -78,5 ° С (-109,3 ° F) и эффективен для поддержания продуктов при низких температурах во время сублимации. Такие системы, в которых хладагент испаряется и выпускается в атмосферу, известны как «полное охлаждение потерь».
Циклическое охлаждение

Тепловой насос и цикл охлаждения

Это состоит из цикла охлаждения, где тепло удаляется из низкотемпературного пространства или источника и отбрасывается на высокотемпературный слив с помощью внешней работы и его обратный термодинамический энергетический цикл. В энергетическом цикле тепло подается из высокотемпературного источника в двигатель, часть тепла используется для производства работ, а остальная часть отбрасывается на низкотемпературную раковину. Это удовлетворяет второму закону термодинамики.

Холодильный цикл описывает изменения, которые происходят в хладагенте, поскольку он поочередно поглощает и отвергает тепло, когда он циркулирует через холодильник. Он также применяется к работе HVACR при описании «процесса» потока хладагента через блок HVACR, будь то упакованная или сплит-система.

Тепло естественным образом течет от горячего до холодного. Работа применяется для охлаждения жилого пространства или объема хранилища путем перекачивания тепла из низкотемпературного источника тепла в более высокотемпературный теплоотвод. Изоляция используется для уменьшения работы и энергии, необходимой для достижения и поддержания более низкой температуры в охлажденном пространстве. Принцип работы холодильного цикла был математически описан Сади Карно в 1824 году как тепловой двигатель.

В наиболее распространенных типах холодильных систем используется цикл рефрижерации с обратным холодильником Ренкина, хотя абсорбционные тепловые насосы используются в меньшем числе применений.

Циклическое охлаждение можно классифицировать как:

  • Паровой цикл
  • Газовый цикл

Рефрижерация парового цикла также может быть классифицирована как:

  1. Рефрижераторное сжатие пара
  2. Абсорбция паром

Цикл сжатия пара

Цикл сжатия пара используется в большинстве бытовых холодильников, а также во многих крупных коммерческих и промышленных холодильных системах. На рисунке 1 представлена принципиальная схема компонентов типичной пароохлаждающей холодильной системы.

Термодинамику цикла можно проанализировать на диаграмме, как показано на рисунке 2. В этом цикле циркулирующий хладагент, такой как фреон, поступает в компрессор в виде пара. Из пункта 1 в пункт 2 пар сжимается при постоянной энтропии и выходит из компрессора в виде пара при более высокой температуре, но все еще ниже давления паров при этой температуре. От точки 2 до точки 3 и от точки 4 пар проходит через конденсатор, который охлаждает пар до его конденсации, а затем конденсирует пар в жидкость, удаляя дополнительное тепло при постоянном давлении и температуре. Между точками 4 и 5 жидкий хладагент проходит через расширительный клапан (также называемый дроссельным клапаном), где его давление резко уменьшается, вызывая испарение испарения и автоматическое охлаждение, как правило, менее половины жидкости.

Это приводит к получению смеси жидкости и пара при более низкой температуре и давлении, как показано в пункте 5. Затем смесь холодного жидкого пара проходит через обмотку или трубки испарителя и полностью испаряется путем охлаждения теплого воздуха (из пространства, которое охлаждается ), раздутый вентилятором через катушку или трубу испарителя. Полученный пар хладагента возвращается к входу компрессора в точке 1 для завершения термодинамического цикла.

Вышеприведенное обсуждение основано на идеальном цикле охлаждения парового сжатия и не учитывает реальные эффекты, такие как падение давления трения в системе, небольшая термодинамическая необратимость при сжатии паров хладагента или поведение неидеального газа ( если таковые имеются).

Более подробная информация о дизайне и характеристиках пароохлаждаемых холодильных систем приведена в классическом Руководстве по химическим инженерам Перри.

Цикл поглощения пара

Холодильник для абсорбции

В первые годы двадцатого века цикл поглощения пара с использованием систем вода-аммиак был популярен и широко использовался. После разработки цикла сжатия пара цикл поглощения пара потерял большую часть своей важности из-за его низкого коэффициента производительности (примерно одна пятая от скорости цикла сжатия пара). Сегодня цикл поглощения пара используется главным образом там, где имеется топливо для отопления, но электричества нет, например, в транспортных средствах для отдыха, которые несут LP-газ. Он также используется в промышленных условиях, где обильная отработанная теплота преодолевает ее неэффективность.

Цикл поглощения аналогичен циклу сжатия, за исключением метода повышения давления паров хладагента. В системе абсорбции компрессор заменяется поглотителем, который растворяет хладагент в подходящей жидкости, жидкий насос, который поднимает давление и генератор, который при добавлении тепла отгоняет пары хладагента от жидкости высокого давления. Некоторые работы необходимы для жидкостного насоса, но для данного количества хладагента он намного меньше, чем того требует компрессор в цикле сжатия пара. В холодильном холодильнике используется подходящая комбинация хладагента и абсорбента. Наиболее распространенными комбинациями являются аммиак (хладагент) и вода (абсорбент), а также вода (хладагент) и бромид лития.

Газовый цикл

Когда рабочая жидкость представляет собой газ, который сжимается и расширяется, но не меняет фазу, цикл охлаждения называется газовым циклом. Воздух чаще всего является рабочей жидкостью. Поскольку в газовом цикле отсутствует конденсация и испарение, компоненты, соответствующие конденсатору и испарителю в цикле сжатия пара, представляют собой горячие и холодные газо-теплообменники в газовых циклах.

Газовый цикл менее эффективен, чем цикл сжатия пара, поскольку газовый цикл работает на обратном брайтоновском цикле вместо обратного цикла Ранкина. Таким образом, рабочая жидкость не принимает и не отбрасывает тепло при постоянной температуре. В газовом цикле эффект охлаждения равен произведению удельной теплоты газа и повышению температуры газа на стороне с низкой температурой. Поэтому для той же охлаждающей нагрузки цикл охлаждения газа требует большого массового расхода и является громоздким.

Из-за их более низкой эффективности и большей массы, кулеры воздушного цикла не часто используются в настоящее время в наземных охлаждающих устройствах. Тем не менее, машина воздушного цикла очень часто встречается на реактивных самолетах с газовой турбиной в качестве охлаждающих и вентиляционных установок, поскольку сжатый воздух легко доступен из компрессорных секций двигателей. Такие блоки также служат для повышения давления в самолете.

Термоэлектрическое охлаждение

Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье для создания теплового потока между соединением двух разных типов материалов. Этот эффект обычно используется в кемпинге и переносных охладителях, а также для охлаждения электронных компонентов и небольших инструментов.

Магнитное охлаждение

Магнитное охлаждение или адиабатическое размагничивание — это технология охлаждения, основанная на магнитокалорическом эффекте, присущем магнитным твердым телам. Хладагент часто представляет собой парамагнитную соль, такую как нитрат церия-магния. В этом случае активными магнитными диполями являются активные электронные оболочки парамагнитных атомов.

Сильное магнитное поле применяется к хладагенту, заставляя его различные магнитные диполи выравниваться и помещая эти степени свободы хладагента в состояние пониженной энтропии. Затем теплоотвод поглощает тепло, выделяемое хладагентом из-за его потери энтропии. Затем тепловой контакт с радиатором разбивается так, что система изолирована, а магнитное поле выключено. Это увеличивает теплоемкость хладагента, тем самым снижая его температуру ниже температуры радиатора.

Поскольку в немногих материалах присутствуют необходимые свойства при комнатной температуре, применение до сих пор ограничивалось криогеникой и исследованиями.

Другие методы охлаждения

Другие способы охлаждения включают в себя машину воздушного цикла, используемую в самолетах; вихревая трубка, используемая для точечного охлаждения, когда имеется сжатый воздух; и термоакустическое охлаждение с использованием звуковых волн в сжатом газе для передачи теплопередачи и теплообмена; паровое охлаждение, популярное в начале 1930-х годов для кондиционирования больших зданий; термоупругое охлаждение с использованием гибкого металлического сплава, растягивающего и расслабляющего. Многие тепловые двигатели цикла Стирлинга могут работать в обратном направлении, чтобы действовать как холодильник, и поэтому эти двигатели используют нишу в криогениках.

Единица охлаждения

Единицы охлаждения всегда являются единицей власти. Бытовые и коммерческие холодильники могут быть рассчитаны на кДж / с или на охлаждение Btu / h. Для коммерческих и промышленных систем охлаждения большинство стран использует киловатт (кВт) в качестве основного холодильного оборудования. Как правило, коммерческие и промышленные холодильные системы Северной Америки оцениваются в тоннах холодильного оборудования (ТР). Исторически, один TR определялся как скорость удаления энергии, которая замерзла бы одну короткую тонну воды при 0 ° C (32 ° F) за один день. Это было очень важно, потому что многие ранние холодильные системы были в ледяных домах. Простой блок позволил владельцам этих холодильных систем измерить выход льда в день против потребления энергии и сравнить их завод с одним вниз по улице. Хотя ледяные дома составляют гораздо меньшую часть холодильной промышленности, чем когда-то, подразделение TR оставалось в Северной Америке. Значение единицы, как исторически определено, составляет приблизительно 11 958 БТЕ / ч (3.505 кВт), было пересмотрено, чтобы быть точно 12 000 БТЕ / ч (3.517 кВт).

Несмотря на то, что это не действительно единица, коэффициент эффективности холодильной системы (CoP) очень важен для определения общей эффективности системы. Он определяется как холодопроизводительность в кВт, деленная на потребление энергии в кВт. Хотя CoP является очень простой мерой производительности, он обычно не используется для промышленного охлаждения в Северной Америке. Владельцы и производители этих систем обычно используют коэффициент производительности (PF). ПФ системы определяется как энергопотребление системы в лошадиных силах, разделенное на ее холодопроизводительность в ТР. Оба CoP и PF могут применяться как к всей системе, так и к системным компонентам. Например, индивидуальный компрессор может быть оценен путем сравнения энергии, необходимой для запуска компрессора, и ожидаемой холодопроизводительности на основе входного объемного расхода. Важно отметить, что как CoP, так и PF для холодильной системы определяются только при определенных рабочих условиях. Переход от этих условий эксплуатации может значительно изменить производительность системы.

Уникальность данного текста проверена