Преимущества отдельных источников получения холода. Open Library - открытая библиотека учебной информации. Как кондиционеры переносят холод

Статья из белорусской республиканской газеты "Звязда" в переводе на русский язык.

Представьте многоэтажку, да не просто многоэтажку, а целый небоскреб, который бы отапливался... энергией грунта (геотермальной энергией). И для этого совсем не надо "сажать" такой дом на разломе геологических плит, у жерла вулкана. Горячие батареи и теплые полы на всех этажах за счет энергии земли можно обеспечить и в наших широтах. Главное - знать, как правильно подойти к делу и какую технологию применить. Весь секрет - в тепловых трубах .

Простая физика

Все мы помним из школы о трех физических состояниях воды - твердое, жидкое и газообразное (пар). Знаем, что при нагревании жидкость становится газом, а тот, когда остывает, конденсируется в жидкость. На этом простом эффекте и основан принцип действия тепловой трубы. Внутри закрытой трубки из сверхпроводящего металла (например, меди) находится жидкость, которая легко выпаривается. Один конец трубки нагревается. Перенос тепла происходит за счет того, что жидкость выпаривается на горячем боку трубки, поглощая тепло выпаривания, и конденсируется на холодной, после чего стекает на горячую сторону.

Если трубка полая, то сконденсированная жидкость возвращается в зону испарения под воздействием силы тяжести (такая трубка будет работать только в вертикальном или близком к нему состоянии). Внутри современных тепловых трубок находится наполнитель. Такие трубки работают практически в любом положении, так как для возвращения жидкости в зону испарения используются капиллярные силы (такой же капиллярный эффект можно увидеть, если положить губку в лужу, - вода наполнит поры губки).

Основной принцип действия тепловых труб, основанный на использовании гравитации , был изобретен еще в век пара. Современные концепции, которые базируются на использовании капиллярного эффекта, были предложены Р. С. Гауглером из General Motors в 1942 году. Позже он запатентовал эту идею. Независимо от него преимущества капиллярных систем были продемонстрированы Джорджем Гровером из Los Alamos National Laboratory в 1963-м.

Сегодня над совершенствованием тепловых труб работают ученые всего мира. Круг применения этой технологии исключительно широкий - от космических аппаратов до холодильников. Свой значительный вклад в развитие этого научного направления внесли и белорусы. Про наиболее интересные и перспективные отечественные разработки наш корреспондент побеседовал с основателем научной школы в области тепловых труб в нашей стране, заведующим лабораторией пористых сред Института тепло- и массообмена имени Лыкова НАН Беларуси, лауреатом Госпремии и премии Совета Министров СССР, президентом ассоциации стран СНГ "Тепловые трубы", владельцем престижной международной награды - золотой медали Гровера - профессором Леонардом Васильевым .

Система термобезопасности

Если говорить упрощенно, тепловая труба - это аналог сверхпроводника электричества , по которому электроэнергия передается без потерь на расстояние, - пояснил Леонард Леонидович. - Здесь мы имеем дело с тепловым сверхпроводником, который без потерь передает на расстояние (причем довольно значительное - в сотни метров) тепловую энергию.

Сейчас в мире активно разрабатываются проекты с применением тепловых труб, которые позволяют эффективно использовать энергию альтернативных и возобновляемых источников энергии , в частности, грунта. Уже осуществляются конкретные работы по передаче тепловой энергии из глубин земли на поверхность для того, чтобы обогревать многоэтажные здания за счет геотермальной энергии .

В общем, с помощью тепловых труб мы можем охлаждать, нагревать и регулировать температуру в пределах необходимой. И все это может осуществляться в самом широком температурном диапазоне. Такие сверхпроводники тепла могут использоваться как при температурах, близких к абсолютному нулю (в таких тепловых трубках применяются сверхтекучий гелий, жидкий водород), так и при высоких температурах (тогда наполнителями становятся щелочные металлы - натрий, калий). Температурный диапазон составляет 1000 градусов.

Наиболее дешевый и доступный наполнитель - вода . Именно она применяется во всех теплообменных устройствах, используемых для нашего комфорта (например, в системах отопления помещений), в технологических процессах (таких как сушка, термообработка пищевых продуктов) и т.д.

По словам ученого, тепловые трубы абсолютно вне конкуренции, когда речь идет об охлаждении электроники, в первую очередь компьютеров: подавляющее большинство ПК имеет систему охлаждения на тепловых трубах. То же касается и космических аппаратов: практически все искусственные спутники Земли имеют систему теплорегулирования на тепловых трубах.

Электроника не любит высоких температур, - рассказал профессор. - Допустим диапазон нагрева электронных приборов составляет 100-120 градусов, поэтому очень важно гарантировать отсутствие перегрева и выхода электроники из строя. Что и делают тепловые трубы, создавая своеобразную "систему термобезопасности".

Для большей наглядности Леонард Леонидович демонстрирует различные образцы тепловых труб. Вот алюминиевая труба для космических аппаратов, которая охлаждает электронику. На одном ее конце крепится электроника, а второй контактирует с радиатором, через который излишки тепловой энергии "выбрасываются" в космос. Изнутри труба имеет капиллярную структуру - бороздки, которые заполняются жидким аммиаком или пропиленом. А вот тепловая труба для использования в компьютере - гораздо меньших размеров, медная, с никелевым напылением. В общем, по конструкции тепловые трубы могут быть самыми разными. Сегодня существует несколько десятков вариантов.

"Ледяные дороги" и не только

За годы работы сотрудники лаборатории пористых сред под руководством профессора Васильева разработали и внедрили в народное хозяйство десятки новых конструкций тепловых труб, испарителей, конденсаторов и устройств для их применения, основными из которых можно назвать тепловые трубы для нагрева, охлаждения и терморегулирования радиоэлектронной аппаратуры, литейных форм, аккумуляторов электричества, шахтных, защищенных от взрыва трансформаторов; термопластификаторов деталей машин и медицинских вращающихся приборов; тепловые трубы для работы в зоне вечной мерзлоты, в теплицах при намерзании ледяных опор в шахтах и т.д. Получили около 300 авторских свидетельств СССР на изобретения, 12 зарубежных патентов, 6 патентов Республики Беларусь.

Леонард Леонидович листает большой фотоальбом, где размещены фотографии разработок лаборатории за разные годы. Вот, например, удивительное фото: длинные тепловые трубы, наполовину закопанные в болото. Вокруг - пустота. Зачем они там? Оказалось, это "ледяные дороги " (тепловые трубы, которые использовались в Сибири для замораживания болот, чтобы по ним можно было проехать тягачам; зимой трубы отводили тепло грунта, и болото замерзало).

Вот еще одно интересное применение тепловых труб - на железнодорожных "стрелках" . Зимой на стрелочных переводах может появиться наледь, образуется риск плохого смыкания, что может обернуться аварией. А если под стрелку подвести тепловую трубу в несколько метров и закопать ее в землю, то благодаря теплу земли можно обеспечить подогрев стрелки и избежать обледенения. Обходчику не нужно раз за разом долбить лед. Просто и эффективно.

Активные и пассивные

В последнее время в научном мире много разговоров ведется про нанотехнологии. В частности, об использовании в тепловых трубах наножидкостей (жидкостей с исключительно малыми размерами частиц), - рассказывает заведующий лабораторией. - В тепловой трубе каким-то образом нужно создать капиллярную структуру. Если мы применим наножидкость, то сможем создать наиболее оптимальный пористый рельеф на внутренней поверхности трубы. Тогда тепловой обмен будет максимально эффективным.

Это очень полезно для медицины: с помощью микрошунтов можно будет понижать или повышать температуру человеческого тела, проводить бескровные операции, воздействовать на энергоактивные точки тела (локально нагревать или охлаждать).

Замечу, что мы только приходим к использованию искусственно созданных микротепловых труб, а в природе они существуют в естественном состоянии (система терморегулирования скота и человека осуществляется по принципу микротепловых труб).

Еще одно интересное направление, которое вспомнил профессор, - сорбционные тепловые трубы , где помимо обычного капиллярного фитиля есть еще и сорбент - пористое вещество, позволяющее связывать молекулы пара в твердом состоянии. В такой трубе работает несколько сил: капиллярные и сорбционные, соответственно получается двойной тепловой эффект .

Можно передавать вдвое большую энергию, чем в обычных тепловых трубах , - добавил Леонард Васильев. - Кроме того, это уже тепловые трубы активного терморегулирования , в отличие от обычных - с пассивным терморегулированием . Появляется возможность активно использовать тепло для получения холода (например, в космических аппаратах).

Короче говоря, разработок много. Дело - за внедрением. Нужны инвестиции, которые бы дали возможность внедрять на наших предприятиях новые технологии и оборудование. А научный потенциал у нас, слава Богу, есть.

Инга Миндалёва. Газета «Звязда», 28 января 2012 года.
Оригинал на белорусском языке: zvyazda.minsk.by/ru/archive/article.php?id=92453&idate=2012-01-28

Для охлаждения воды или рассола, а также для непосредственного охлаждения воздуха в практике кондиционирования используют естественные и искусственные источники холода.

Естественными источниками холода могут быть артезианская вода, вода горных рек и лед. К искусственным источникам относят парокомпрессионные, пароводяные и воздушные холодильные машины. В установках кондиционирования чаще других применяют парокомпрессионные машины.

Охлаждение и осушение воздуха часто происходит при начальной температуре воды 8-10°. Воду при такой температуре можно получить из артезианских источников. В горных районах температура речной воды обычно не превышает 5°. В случае применения артезианской воды или из горной реки необходимо непрерывно менять такую воду по мере повышения ее температуры. Холодная вода в таких установках непосредственно из сети или с подкачкой насосом подается в кондиционер, где она нагревается, а затем сбрасывается в водосток или используется для производственных нужд.

Применение артезианской воды в некоторых случаях имеет известные экономические преимущества по сравнению с искусственными источниками холода. Если для отведения нагретой воды в водоем необходимы водостоки большой протяженности, целесообразность использования артезианской воды следует установить путем технико-экономических сравнений.

Одним из недостатков артезианской воды как источника холода является довольно высокая ее температура, не позволяющая в ряде случаев обеспечить необходимое осушение обрабатываемого воздуха.

Лед в качестве источника холода можно применять для небольших установок кондиционирования воздуха. При этом качество льда должно удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям.

Искусственные источники холода в отличие от естественных имеют преимущество в том, что не требуется пополнять в них охлаждающую среду.

Процессы, протекающие в парокомпрессионных холодильных машинах, связаны с изменением агрегатного состояния холодильного агента, циркулирующего в системе.

Процесс понижения температуры тела называется охлаждени­ем. Различают естественное и искусственное охлаждение.

Естественное охлаждение позволяет охладить тело до темпера­туры окружающей среды. Такое охлаждение обеспечивает холод­ная вода или воздух.

Для охлаждения до температуры более низкой, чем температу­ра окружающей среды, применяется искусственное охлаждение, которое можно осуществить с помощью любого физического про­цесса, связанного с отводом теплоты.

Искусственное охлаждение используется при проведении про­цессов абсорбции, кристаллизации, разделения газов, сублима­ционной сушки и кондиционирования воздуха.

С помощью холодильных смесей можно получать довольно низ­кие температуры. Смесь льда и СаС1 2 (до 30 %) позволяет достичь температуры -55 °С. Однако для осуществления охлаждения таким способом требуется много льда и соли, поэтому его применение ограниченно.

В современных холодильных машинах используется свойство ряда низкокипящих сжиженных газов (аммиак, хладоны, диоксид уг­лерода и др.) при испарении поглощать из окружающей среды большое количество теплоты.

Искусственное охлаждение можно разделить на умеренное (до температуры -100 °С) и глубокое (до более низкой температуры).

В промышленности глубокое охлаждение применяют для сжи­жения разделяемых парогазовых и газовых смесей. Полученные таким способом газы широко используются в химической про­мышленности: азот - для получения химических удобрений, кис­лород, метан и этилен - для производства минеральных кислот и т.п.

В установках искусственного холода осуществляют необходи­мое снижение температуры рабочего тела. По агрегатному со­стоянию рабочего тела холодильные установки подразде-

ляют на газовые, газожидкостные, парожидкостные и адсорбционные (с применением твердой фазы).

Искусственное охлаждение в большинстве случаев осуществ­ляется двумя методами:

Испарением низкокипящих жидкостей;

Расширением различных предварительно сжатых газов с по­мощью дросселирования или детандирования.

При испарении низкокипящих жидкостей последние охлажда­ются за счет уменьшения внутренней энергии.

Дросселирование представляет собой процесс расширения газа при его прохождении через сужающее устройство, в результате чего давление газа снижается. Энергия, необходимая для расши­рения газа при дросселировании, когда поступление теплоты из­вне отсутствует, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа. Дроссельный эффект (эффект Джоуля-Том­сона) - это изменение температуры газа при дросселировании в условиях отсутствия теплообмена с окружающей средой.

Детандирование - это расширение газа в расширительной ма­шине - детандере. По своей конструкции этот агрегат аналогичен поршневому компрессору или турбокомпрессору. При детандировании газ охлаждается вследствие снижения внутренней энергии и совершения внешней работы.

Если давление понизить до 0,007 бар, то вода начнет кипеть при температуре всего 4 °C — таковы ее свойства. В этом случае достаточно было бы подвести к чайнику теплоноситель с температурой, например, 10 °C, и с помощью этого теплоносителя вода в чайнике закипела бы, как от пламени газовой горелки, а теплоноситель бы этот охладился, например, до температуры 7 °C, подобно тому, как охлаждаются под кипящим чайником продукты сгорания газа. Теплоноситель, охлажденный от 10 до 7 °C, называют холодоносителем, и его можно с успехом использовать, например, в системах кондиционирования.

В испарителе же АБХМ происходят именно такие процессы. В качестве холодильного агента в этой машине используются не фреоны, а как в чайнике — обыкновенная вода, которая кипит в испарителе, давление внутри которого близко к абсолютному вакууму.

Вместе с тем, холодильная машина должна быть все же несколько сложнее чайника. Вакуум из испари теля исчезнет, как только из воды начнет образовываться пар. Чтобы этого не произошло, пар нужно удалять. В обычных компрессорных холодильных машинах пар, образующийся при кипении холодильных агентов, отсасывают компрессором. Теоретически можно было бы отсосать компрессором и водяной пар, но практически эту задачу решить сложно, потому что удельный объем водяного пара при низком давлении очень велик, и потребовался бы компрессор чрезмерно большого размера. На этом идея водяной холодильной машины могла бы уйти в область фантастики, если бы не было открыто такое вещество, как раствор бромистого лития в воде. Особенностью этого раствора является его способность жадно поглощать (по-научному — «абсорбировать») водяной пар. Если в одном объеме с испарителем распылять концентрированный раствор бромистого лития, называемый абсорбентом, то вакуум в этом объеме сохранится, поскольку пар перейдет в раствор. Правда, абсорбент очень скоро потеряет свою способность поглощать, тепло будет передано оборотной воде, циркулирующей через змеевик абсорбера, и отведено в атмосферу через градирню.

Слабый раствор из абсорбера А насосом 3 подается в генератор Г, через трубки которого циркулирует теплоноситель от источника тепла Т. Под воздействием этого тепла пар из слабого раствора испарится и через жалюзи устремится (показано стрелкой) в пространство охлаждаемого оборотной водой конденсатора К, на трубках которого пар сконденсируется, конденсат возвратится в испаритель И, а частично обезвоженный (концентрированный) раствор бромистого лития возвратится в абсорбер. Концентрация соли в растворе понижается, и вместе с этим ухудшается абсорбционная его способность. Чтобы поддерживать абсорбционную способность раствора на постоянном высоком уровне, нужно лишний пар из него выпарить. А для выпаривания нет более подходя щей энергии, чем тепловая.

Холод получают путём отвода тепла от газообразного, жидкого или твёрдого тела. Например, охлаждают воз­дух камер с пищевыми продуктами, замораживают воду при производстве искусственного льда или рыбу на про­мыслах. Во всех этих случаях тепло отводится от охлаж­даемого тела к охладителю или, как его называют, р а - бочему телу. Это относится и к простейшим случаям. Например, тёплое молоко в бидонах охлаждают в баках с холодной колодезной водой. Рабочее тело - вода в баке - при этом повышает свою температуру.

Понижение температуры достигается также за счёт расширения сжатых газов. Конечно, газ не сжимается сам собой. Для этого должна быть приложена сила извне, т. е. совершена работа. Затраченная на сжатие газа работа перейдёт в тепло, газ нагреется. Частицы его ускорят своё движение. Толчки частиц о стенки сосуда станут более частыми и сильными, а это значит, что повысится давление газа. Теперь дадим сжатому газу возможность расши­риться. Расширяясь, газ совершит такую же работу, какая была затрачена на его сжатие. Работа эта может быть со­вершена только за счёт тепловой энергии самого газа. Если при этом газ заключён в оболочку, не проводящую тепла, так что притока тепла снаружи не будет, то темпе­ратура газа значительно понизится. Таким образом, рас­ширение газа приводит к его охлаждению.

Это явление используется в особых газовых холодиль­ных машинах, в которых рабочим телом служит воздух.

Однако способы получения холода без изменения агрегатного состояния рабочего тела недостаточно эко­номичны.

Лучшие результаты получаются, когда рабочее тело изменяет своё агрегатное состояние, т. е. переходит из твёрдого состояния в жидкое или из жидкого в парообраз­ное. Эти изменения охладителя должны происходить при низких температурах и сопровождаться поглощением от­носительно большого количества тепла из охлаждаемой среды.

Каждому агрегатному состоянию тела соответствуют определённые температура и давление. С изменением агре­гатного состояния меняется и взаимное расположение ча­стиц в теле. При этом изменяются многие физические свойства тела.

Изменение агрегатного состояния вещества сопровож­дается выделением или поглощением скрытой теплоты, ко­торая расходуется на перегруппировку частиц. Поэтому оно происходит при постоянной температуре, которая за­висит от физических свойств вещества и условий его пере­хода из одного состояния в другое.

Если к твёрдому телу непрерывно подводить тепло, то при определённой температуре оно начнёт переходить в жидкое состояние, т. е. плавиться. Примером плавления твёрдого тела, используемого для охлаждения, является таяние льда.

Что происходит с частицами льда при его таянии?

Лёд - твёрдое тело; его частицы образуют, как мы уже говорили, кристаллическую решётку. Между части­цами льда действуют большие силы притяжения, или сцепления. При таянии льда порядок в расположении

Частиц нарушается. Они срываются со своих мест и прихо­дят в беспорядочное движение - образуется жидкость. Для того чтобы преодолеть силы сцепления, т. е. разру­шить кристаллическую решётку, необходимо затратить энергию. На это и расходуется подводимое ко льду тепло.

Некоторые твёрдые тела при плавлении сразу перехо­дят в парообразное состояние. Такое изменение агрегат­ного состояния вещества называется возгонкой, или сублимацией. Для получения холода используется сублимация так называемого сухого льда, со свойствами которого мы познакомимся ниже.

Охлаждение, основанное на таянии льда из воды или сублимации сухого льда, называется ледяным.

В современной холодильной технике применяется глав­ным образом машинное охлаждение, а в некоторых случаях - ледяное и ледосоляное охлаждение, причём в основе всех этих способов получения холода ле­жит изменение агрегатного состояния вещества.

Что происходит в смеси льда с солью?

В ней одновременно протекают два процесса: таяние льда и растворение соли. При растворении соль переходит из твёрдого состояния в раствор. На этот переход затра­чивается тепло, которое идёт на преодоление сил взаимо­действия между частицами соли. Поэтому температура образующегося рассола получается ниже, чем темпера­туры льда и соли, взятых отдельно. Смесь, состоящая из четырёх весовых частей льда и пяти частей хлористого кальция, понижает температуру до - 40°С. Но чаще в про­мышленности применяется ледосоляное охлаждение, осно­ванное на использовании смеси дроблёного льда и обык­новенной поваренной соли. При этом температура смеси зависит от количества добавляемой ко льду соли. При добавлении ко льду 30 процентов соли (по весу) дости­гается наиболее низкая температура - 21,2° С.

Ледяное и ледосоляное охлаждения, основанные на из­менении агрегатного состояния рабочего тела, исполь­зуются в пищевой промышленности, в торговой сети и на железнодорожном транспорте при перевозке скоропортя­щихся грузов.

Огромное значение в холодильной технике имеет ма­шинный способ получения холода, основанный на явле­нии испарения некоторых жидкостей при низких темпера­турах. В том, что при испарении жидкости происходит охлаждение, легко убедиться. Смочите руку водой, а по­том, не вытирая, помахайте ею в воздухе. Вы сразу почув­ствуете, что рука стала холоднее. Быстро испаряясь, вода охлаждает кожу мокрой руки.

Испарение жидкости происходит по-разному. Если жид­кость превращается в пар только с поверхности, то это испарение. Если же парообразование происходит не только с поверхности жидкости, но и внутри её, то это кипение.

Проследим, как вода при её нагревании обращается в пар. При нормальном атмосферном давлении (760 мм ртутного столба) температура воды, постепенно повы­шаясь, доходит до + 100° С, а затем остаётся постоянной, сколько бы мы её ни нагревали. Вода при этом кипит.

Температура испарения и кипения жидкости зависит от давления образующихся над ней паров. Например, на очень высокой горе воздух более разрежен, чем у подно­жия, и, следовательно, давление его ниже нормального. Поэтому при нагревании вода здесь кипит при темпера­туре ниже+ 100° С. Наоборот, в паровом котле, где дав­ление в несколько раз превышает нормальное, вода кипит при температуре выше+ 100° С.

На испарение и кипение жидкости, как и на плавление твёрдого тела, необходимо затратить тепловую энергию.

Эта энергия идёт на преодоление сил сцепления между частицами жидкости при превращении её в пар. Количе­ство тепла, необходимое для превращения в пар одного килограмма жидкости, зависит от давления паров и

Определяется фИЗИЧеСКИМИ СВОЙСТВаМИ ЖИДКОСТИ. ЭТО КО"

Личество тепловой энергии составляет теплоту паро­образования данной жидкости.

Когда от паров отнимается тепло, они снова превра­щаются в жидкость, т. е. конденсируются.

Охлаждением путём испарения люди пользовались давно. В древнем Египте* например, так охлаждали воду.

Вода просачивалась через поры сосуда и быстро испаря­лась в наружном воздухе. Чтобы ускорить испарение, рабы приводили воздух в движение опахалами (рис. 2).

Каждый из вас может сделать простейшую холодиль­ную «машину», основанную на испарении жидкости. Обер­ните плотно мокрой тряпкой банку со сливочным маслом и поставьте её в тарелку с водой (рис. 3). По тряпке, края которой должны быть погружены в воду, вода подни­мается вверх, подобно тому, как по фитилю поднимается керосин к горелке лампы. Благодаря испарению воды с мокрой тряпки (если к тому же этот простой холодильник поместить на сквозняке) масло в банке затвердеет: испа­рение воды вызовет охлаждение масла.

Низкие температуры в промышленности получают при испарении некоторых так называемых летучих жидко­стей, имеющих низкие температуры кипения. Они служат рабочим телом в паровых холодильных машинах.

Первые попытки получения глубокого охлаждения были сделаны ещё в прошлом веке, когда учёные впервые попыта­лись превратить некоторые га­зы в жидкость. В настоящее время любой газ можно полу­чить в жидком виде. Например, воздух, которым мы дышим, превращается в жидкость, ко­торая имеет температуру около - 193° С.

Простейшая схема получе­ния жидкого воздуха приведена на рисунке 4.

Невольно возникает вопрос, какая же может быть полу­чена самая низкая температу­ра тела. Учёные установили, что такой предельной темпера­турой является температура -273,16° С. При этой темпера­туре должно полностью пре­кратиться тепловое движение частиц в теле. Поэтому темпе­ратура -273,16° С и принята за абсолютный нуль особой температурной шкалы Кельвина (со­кращённо К). Отсчёты температур по этой шкале могут быть только положительными.