4.3.4 Холодильные машины

Холодильная машина – комплекс теплообменных аппаратов и устройств, необходимых в рабочем цикле для отвода теплоты при низкой температуре от охлаждаемой среды и передачи этой теплоты в окружающую среду с более высокой температурой.

Для того чтобы холодильная машина осуществляла искусственную передачу энергии из среды с низкой температурой в среду с высокой температурой, необходимо создать условия естественной передачи тепла в теплообменных аппаратах с помощью хладагентов. Теплообменные аппараты, в которых хладагент потребляет тепло из охлаждаемой среды, называют испарителями. В этом случае температура хладагента должна быть ниже температуры охлаждаемой среды, что создаётся понижением давления хладагента. Теплообменники, в которых хладагент отдаёт тепло в окружающую среду, называют конденсаторами (или охладителями – при отсутствии конденсации). Здесь температура хладагента должна быть выше температуры окружающей среды, что создаётся повышением давления хладагента.

В зависимости от способа реализации цикла холодильные машины делят на компрессионные, сорбционные, струйные, термоэлектрические.

Компрессионные холодильные машины

В компрессионных холодильных машинах последовательно происходят процессы сжатия хладагента в компрессоре и его последующего расширения. Они подразделяются на паровые и воздушные. Для осуществления цикла здесь затрачивается внешняя механическая энергия.

В паровых компрессионных холодильных машинах хладагент в процессе работы изменяет своё агрегатное состояние за счёт кипения при низких значениях температуры и давления (тепло при этом отбирается от охлаждаемого тела), и конденсации при высоких значениях давления и температуры (теплота при этом отводится от хладагента в окружающую или отепляемую среду). Смены фазовых состояний хладагента циклически повторяются, что обеспечивает непрерывный процесс подавления теплопритоков в холодильную камеру.

В воздушной компрессионной холодильной машине агрегатное состояние хладагента не меняется, но процессы его сжатия в компрессоре (с разогревом и отводом теплоты во внешнюю среду) и расширения в детандерном устройстве (с понижением давления и температуры) циклически чередуются.

Сорбционные холодильные машины

В сорбционных холодильных машинах в холодильном цикле участвуют два компонента: хладагент (чаще всего аммиак) и поглотитель (жидкий – вода или твёрдый – силикагель). Холодильные машины с жидким поглотителем называются абсорбционными, а с твёрдым – адсорбционными. В таких холодильных машинах последовательно и циклически осуществляются термические реакции поглощения паров хладагента сорбентом и выделения хладагента из этого вещества. Процессы поглощения и выделения в сорбционных холодильных машинах аналогичны по своему назначению процессам расширения и сжатия в компрессионных холодильных машинах. Однако циклическое действие здесь обеспечивается за счёт подвода извне к рабочему телу не механической, а тепловой энергии.

Струйные холодильные машины

Действие струйных холодильных машин основано на использовании кинетической энергии потока газа или пара. Они бывают эжекторные, вихревые и турбохолодильные. В настоящее время на хладотранспорте не применяются.

Термоэлектрические холодильные машины

Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье: при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух разнородных полупроводников, соединённых медной пластиной, один из спаев охлаждается, а другой нагревается. Это показано на рисунке 4.12.

Чтобы холодный спай постоянно имел низкую температуру, от теплого спая требуется непрерывно отводить теплоту. Здесь перенос тепла внутри термоэлемента выполняется электрическим током, а вне его – конвекцией охлаждающей среды. Если поменять полярность источника тока, то направление теплового потока изменится на противоположное.

Термоэлектрическое охлаждение просто и удобно, но маломощно и неэкономично. Оно применяется в космической технике, для кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах и жилых зданиях. Использование его на хладотранспорте возможно и эффективно при создании грузовых вагонов с усиленной теплоизоляцией типа сэндвич, термоэлектрическими батареями, аккумулятором и подвагонным генератором для подзарядки аккумулятора. Преимущества такого способа получения холода: бесшумность, надежность, автономность и реверсивность работы оборудования.

В системе железнодорожного транспорта на подвижном составе применяют в основном паровые компрессионные холодильные машины, а в стационарных складах – ещё и турбохолодильные, и сорбционные, и струйные.

Рисунок 4.12 – Термоэлектрическая батарея:

1 – полупроводник с высокими термоэлектрическими свойствами; 2 – медная пластина

Другие холодильные машины

Существуют и перспективны для использования на транспорте способы машинного производства холода, которые основаны на магнитокалорическом и электрокалорическом эффектах. Эти эффекты заключаются в изменении температуры соответственно магнетиков и диэлектриков при изменении напряжённости внешнего магнитного или электрического поля.