Jak funguje chladnička: princip, zařízení, schéma

Chladicí stroje a zařízení jsou určeny k umělému snižování a udržování nízké teploty pod teplotou okolí od 10 °C do -153 °C v daném chlazeném objektu. Stroje a zařízení pro vytváření nižších teplot se nazývají kryogenní. Odvod a přenos tepla se provádí v důsledku spotřebované energie. Chladicí jednotka se provádí dle projektu v závislosti na specifikaci návrhu, která definuje chlazený objekt, požadovaný rozsah chladících teplot, zdroje energie a druhy chladícího média (kapalné nebo plynné).

Chladicí jednotka se může skládat z jednoho nebo více chladicích strojů vybavených pomocnými zařízeními: napájecím a vodovodním systémem, přístrojovými, regulačními a ovládacími zařízeními a také systémem výměny tepla s chlazeným objektem. Chladicí jednotku lze instalovat uvnitř, venku, v dopravě a v různých zařízeních, ve kterých je potřeba udržovat danou nízkou teplotu a odvádět přebytečnou vzdušnou vlhkost.

Systém výměny tepla s chlazeným objektem může být s přímým chlazením chladivem, v uzavřeném systému, v otevřeném systému, jako při chlazení suchým ledem, nebo vzduchem ve vzduchovém chladicím stroji. Uzavřený systém může mít také mezilehlé chladivo, které přenáší chlad z chladicí jednotky do chlazeného objektu.

Vytvoření prvního čpavkového parního kompresorového chladicího stroje Karlem Lindem v roce 1874 lze považovat za počátek rozvoje chladicí techniky ve velkém měřítku. Od té doby se objevilo mnoho druhů chladicích strojů, které lze seskupit podle principu činnosti následovně: parní komprese, jednoduše nazývaná kompresor, obvykle s elektrickým pohonem; chladicí stroje využívající teplo: absorpční chladicí stroje a parní ejektor; vzduchové expanze, které jsou hospodárnější než kompresorové při teplotách pod -90 °C, a termoelektrické, které jsou zabudovány do zařízení.

Každý typ chladicích jednotek a strojů má své vlastní charakteristiky, podle kterých se volí oblast jejich použití. V současné době se chladicí stroje a zařízení používají v mnoha oblastech národního hospodářství i v každodenním životě.

2. Termodynamické oběhy chladicích jednotek

Přenos tepla z méně vyhřívaného na více vyhřívaný zdroj je možný, pokud je organizován jakýkoli kompenzační proces. V tomto ohledu jsou cykly chladicích jednotek vždy realizovány v důsledku spotřeby energie.

Aby se teplo odebrané ze zdroje „studeného“ přeneslo do zdroje „horkého“ (zpravidla okolní vzduch), je nutné zvýšit teplotu pracovní tekutiny nad teplotu okolí. Toho je dosaženo rychlým (adiabatickým) stlačováním pracovní tekutiny s vynaložením práce nebo přívodem tepla k ní zvenčí.

V reverzních cyklech je množství tepla odebraného z pracovní tekutiny vždy větší než množství dodaného tepla a celková práce stlačení je větší než celková práce expanze. Díky tomu jsou zařízení pracující v podobných cyklech spotřebiteli energie. Takové ideální termodynamické cykly chladicích jednotek již byly diskutovány výše v odstavci 10 tématu 3. Chladicí jednotky se liší v použité pracovní tekutině a principu činnosti. Přenos tepla ze „studeného“ zdroje na „teplý“ může být proveden z důvodu nákladů na práci nebo nákladů na teplo.

2.1. Jednotky chlazení vzduchu

Ve vzduchových chladicích jednotkách se vzduch používá jako pracovní tekutina a teplo se přenáší ze „studeného“ zdroje do „horkého“ zdroje prostřednictvím vynaložení mechanické energie. Snížení teploty vzduchu potřebného k chlazení chladicí komory je v těchto instalacích dosaženo v důsledku její rychlé expanze, ve které je omezena doba výměny tepla a práce je prováděna především díky vnitřní energii, díky níž teplota kapek pracovní kapaliny. Schéma jednotky chlazení vzduchu je na obr. 7.14

Obr. 14. Schéma chladicí jednotky vzduchu: ХК – chladicí komora; K – kompresor; TO – výměník tepla; D – expanzní válec (expandér)

Teplota vzduchu vstupujícího z chladicí komory XK do válce kompresoru K stoupá v důsledku adiabatické komprese (proces 1 – 2) nad teplotu okolí T3. Při proudění vzduchu trubkami výměníku TO klesá jeho teplota při konstantním tlaku – teoreticky na okolní teplotu T3. V tomto případě vzduch uvolňuje teplo q (J/kg) do okolí. Výsledkem je, že měrný objem vzduchu dosáhne minimální hodnoty v3 a vzduch proudí do válce expanzního válce – expandéru D. V expandéru je díky adiabatické expanzi (proces 4-3) vykonána užitečná práce ekvivalentní do ztmavené oblasti 5-6-4-3-4 , teplota vzduchu klesne pod teplotu položek chlazených v chladicím oddílu. Takto ochlazený vzduch vstupuje do chladicí komory. V důsledku výměny tepla s chlazenými předměty stoupá teplota vzduchu při konstantním tlaku (izobar 1-1) na výchozí hodnotu (bod 2). V tomto případě je teplo q2 (J/kg) dodáváno z chlazených předmětů do vzduchu. Hodnota q 1, nazývaná chladící kapacita, je množství tepla přijatého XNUMX kg pracovní tekutiny z chlazených předmětů.

2.2. Chladicí jednotky s parním kompresorem

V parokompresních chladicích jednotkách (SCRU) se jako pracovní kapalina používají nízkovroucí kapaliny (tab. 1), což umožňuje realizovat procesy přívodu a odvodu tepla podle izoterm. K tomuto účelu se používají procesy varu a kondenzace pracovní tekutiny (chladiva) při konstantních hodnotách tlaku.

Bod varu tvar při tlaku p = 0,1 MPa, °C

Kritická teplota, °C

Teplota tuhnutí, tfreeze, °С

Latentní výparné teplo při bodu varu, kJ/kg