Напомнило историю из жизни о том, как люди ловили когнитивный диссонанс с этой фишкой про тепло и холод.
Как-то поручили мне в организации, где я работал мастером с золотыми руками из жопы(зачёркнуто), короче, строителем очень широкого профиля, в одной из комнат в организации общепита сделать холодильник.
Моя задача была просто утеплить комнату изнутри пеноплексом, обшить оцинкованной жестью, поставить тёплую дверь и стеллажи. Сплит-системой занимался другой человек.
Обсудили с руководством, что и как делаем, заказали материалы, и я приступил. Первым делом на стену я наклеивал фольгированную бумагу (фольгу оказалось дорого) и наклеивал её блестящей стороной к стене (знаю, что между стеной и фольгой вроде бы должен быть зазор, но решили так не делать). То есть, заходя в комнату, человек видел обратную сторону — бумажную. И каждый первый тут же указывал мне на неправильность укладки: мол, почему блестящая к стене, должно же быть наоборот! На что получали от меня вопрос:
— А мы что строим — парилку или холодильник? — уходили думать.
Даже несколько фотографий осталось, но уже с почти законченный обшивкой.
Описана рециркуляционная система кондиционирования в квартире. Там действительно нет воздуха с улицы, ибо для этого мощности квартирной электросети не хватит.
А вот на транспорте работает вентиляционная система с подмешиванием наружного воздуха. Есть заслонка забора воздуха извне, которая может открываться в нужное положение.
Я уже устал объяснять это пассажирам электричек, которые так и норовят открыть окна при работающем кондиционере, мол, нужен приток свежего воздуха. На самом деле этим вызывается приток раскалённого воздуха.
Самое доступное объяснение того, как работает холодильник, я услышал еще в девяностые, проходя мимо телевизора, где шла американская передача о том, как заливают лед на профессиональном катке. В том объяснении не было никаких технических подробностей, но была самая суть.
Короче говоря, есть такие жидкости, они называются летучими, потому что испаряются при любой температуре. А со школы мы помним, что для испарения жидкости нужно придать тепло: вода при ста градусах превращается в пар, тоже с температурой сто градусов. Или вот ватка, намоченная спиртом перед уколом, отнимает тепло у нашей кожи и мы чувствуем холодок, потому что спирт при температуре 36,6 стремится улетучиться и стать газом, тоже с температурой 36,6.
Инженеры догадались использовать это свойство летучих жидкостей в холодильнике. Насос гоняет летучую жидкость по трубкам, пока та не попадет в специальную морозильную камеру, где принудительно испаряется. Для испарения она отбирает тепло у стенок морозильной камеры, а те, в свою очередь, отбирают его у воздуха и продуктов внутри. Потом она снова превращается в жидкость, но уже сильно нагретую (потому что жидкость хранит отобранное тепло в себе), и эта горячая жидкость гонится тем же насосом по трубкам в радиатор охлаждения.
Посмотрите на холодильник сзади: там находится радиатор охлаждения, и он горячий. Он отдает собранное тепло в воздух, после чего жидкость снова поступает в морозильную камеру, и так по кругу.
Короче говоря, инженеры заставили летучую жидкость принудительно отбирать тепло в одном месте и отдавать его в другом. Вот как работает холодильник в пересказе для школьников
Есть категория оборудования называемая холодильным. Так вот основное заблуждение в том, что оно производит холод.
Пришлось тут сегодня спорить с людьми в окружении по этому поводу. Так и родилась мысль написать этот пост.
Начнем, пожалуй, с самых распространеных мифов. Вроде на дворе и 21 век, но физика для многих - магия вне Хогвартса. А потом разберем как это все работает.
Миф 1. Кондиционер берет свежий воздух с улицы.
Я искренне верил, что этот миф давно изжил себя и канул в лету, в наше время, но нет.
Люди видят на улице здоровые внешние блоки с большим вентилятором и думают что он затягивает воздух с улицы или вытягивает горячий из помещения. На самом деле внутренний блок кондиционера гоняет только тот воздух, который находится в помещении, по кругу. Между внутренним и внешним блоками есть тонкие медные трубки, но там перекачивается хладагент между внутренним и внешним блоками. Воздуха там нет.
Для примера приведу житейскую ситуацию. Знакомую многим.
Есть большое помещение. В нем много людей. На всю работает кондиционер. И вроде в помещении прохладно, но все сидят мокрые, липкие и задыхаются.
Так вот это прямое доказательство того, что кондиционер не освежает воздух и не берет его с улицы. То что люди надышали и напотели он просто охлаждает и гоняет по кругу. В таком случае снижение температуры человеку не поможет. Концентрация углекислого газа зашкаливает, кислорода нет, а влажность не успевает уходить. Нужно или проветривать помещение или включать или усиливать приточную вентиляцию.
В автомобиле тоже самое. Просто вместо теплообменника обогревателя зимой, воздух проходит через теплообменник кондиционера. Так охлаждается воздух с улицы. В машину поступает свежий охлажденный воздух и пассажирам не приходится страдать в духоте. А если хочется страдать, нажмите на кнопку рециркуляции и будет тоже самое что и в душном офисе без свежего воздуха.
Думаю с этим вопросом разобрались.
Миф 2. Холодильное оборудование вырабатывает холод.
Вот теперь будет кому-то сложно, но я попробую изложить.
В физике такого понятия как холод нет. Есть тепло. А то что мы воспринимаем как холод это отсутсвие тепла.
Вообще существует много чего в нашем мире чего не существует в физике. Например
темнота - отсутствие света.
тишина - отсутствие звуковых колебаний воздуха.
тень - отсутствие прямых лучей.
одиночество - дефицит близости
Холодильное оборудование это не «фабрика по производству мороза». Это тонкая, расчетливая и удивительно красивая физика. Это высокотехнологичный транспорт для тепла, который работает по законам термодинамики.
Это тоже, надеюсь, поняли.
Так как же холодильные установки охлаждают?
В работе холодильного оборудования используется принцип поглощения или выделения энергии при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое. По умному оно еще называтеся фазовым переходом.
Звучит сложно, но не пугаемся. Сейчас все обьясню и все станет понятно.
Возьмем балончик со сжатым воздухом для чистки компуктеров. К слову в балончике с сжатым воздухом находится не фига не сжатый воздух. Там, если вы почитаете этикетку, будет какой-нибудь сжиженый газ типа фторэтан, дифторэтан, тетрафторэтан или что-то подобное. По своей сути это практически фреон. А вы думали что он так дорого стоит?
Если под рукой балончика со сжатым воздухом нет можем рассмотреть балон для горелок с изобутановой смесью или обычную зажигалку. Нам главное принцип.
Итак, с одной стороны у нас высокое давление (сжиженный газ внутри баллона) с другой зона низкого давления (атмосфера) и если мы нажмем на клапан (откроем ТРВ), то газ начнет переход за клапаном с другое состояние с поглощением тепла и начнется процесс дросселирования. Каждый, наверное, знает что если долго "дуть" из баллона или зажигалки то сопло станет холодным, а если перевернуть балон и дунуть жидким газом, то вообще все начнет обмерзать. Этот процесс показывает как происходит дросселирование и поглощается тепло в холодильных установках. Именно такой пшик, только контролируемый, и происходит в холодильниках, кондиционерах и здоровых промышленых установках холодообразования.
Бездумно пшикать нельзя. Если газа подавать мало испарение будет забирать мало тепла. Если газа подавать слишком много есть риск перемерзания испарителя. Но это полбеды. Нужно чтобы газ не попал в компрессор в жидком виде. Иначе компрессору хана. Он предназначен перекачивать газ, а не жидкость. И тут на помошь приходит штука под название ТРВ (терморегулирующий вентиль). Они бывают механические (баллон с эфиром под действием температуры двигает дросселирующую иглу) и электронные. Суть у них одна - подавать в испаритель достаточное количество жидкого газа для эффективного охлаждения, которое может эффективно гарантировано испариться в испарителе.
К слову про изобутановую смесь это не шутка. Есть установки работающие на этом газе. И у многих они стоят прямо дома. Это холодильники. Если вы посмотрите на шильдик совеременного холодильника, то увидите, что работают они на фреонах R600, а это и есть брат пропана - изобутан. Успокою сразу. Переживать не стоит. Количество газа очень маленькое примерно 30-50 грамм. И один холодильник вам взрыв не устроит даже при всем желании. В вот в промышленых установках его не используют. Если будет утечка пары сотен литров сжиженного газа - мало не покажется. Поэтому там фреоны. Они не горючие, взрывобезопасные и вредные для экологии. И еще очень дорогие.
1/2
Вот примеры шильдиков.
С балончиком этот процесс одноразовый. Газ просто улетел в атмосферу и всё. Для того чтобы иметь возможность использовать его повторно инженеры придумали замкнутую систему.
Многие видели эту картинку, но не все понимают что тут нарисовано.
Испареный газ, который поглотил тепло, надо снова сделать жидким, то есть сжать и остудить до жидкого состояния. И потом снова отправить испаряться и поглощать тепло. А для этого нужна энергия. И тут на помощь приходит его величество компрессор - сердце, в самом прямом смысле, холодильной установки, работающее на электрической энергии сети. Есть холодильные установки работающие без компрессора. Но о них поговори отдельно. В конце.
Что у нас происходит на этом этапе? Тут газ сжимается, а как мы знаем из школьной физики, при сжатии газа выделяется тепло. Это и происходит в горячем контуре холодильной установки. После того как газ сжали, его нужно остудить чтобы он стал жидким - сконденсировался, перед тем как снова отправить его испаряться. Для этого используется теплообменник. В холодильных установках он зовется конденсатор. Все же знают что холодильник сзади горячий, внешний блок кондиционера дует горячим воздухом и радиатор кондиционера в авто тоже горячий. Тут тоже не все происходит наобум. Горячий газ должен иметь температуру гарантировано выше темперетары окружающей среды чтобы он мог сконденсироваться. Без этой разницы температур тепло не сможет уйти через теплообменник. Внешним вентилятором газ охлаждается, становится жидким и по магистрали снова идет ТРВ и в испаритель.
Охлаждение важный этап в работе установки. Если газ придет к испарителю слишком горячим, то он частично испарится от своей тепловой энергии и поглотит слишком мало тепла. Замечали, что кондиционер с забитым пухом внешним блоком или автомобиль с забитым или грязным радиатором, или в очень сильную жару как-то плохо холодит?
Вот оно в чем дело.
Рассмотрим самые ходовые фреоны: автомобильный R-134, кондиционерный R-410 и промышленны
ей R-404 и R-507. В обычный день компрессор сжимает их так, чтобы температура их конденсации (превращения в жидкость) была в районе +40 °C.
Но если на улице сильная жара под те же +40 градусов в тени, а на солнце радиатор нагревается еще сильнее, процесс нарушается. Разница температур между фреоном и уличным воздухом исчезает. Чтобы радиатор мог отдавать тепло, компрессор начинает качать на пределе, но остудить газ уличным воздухом такой же температуры уже невозможно. Газ перестает нормально конденсироваться и становиться жидким. В итоге в испаритель вместо холодной жидкости летит полугорячий пар. Система продолжает молотить, жрать энергию и практически перестает охлаждать.
Собсвенно все. И так по кругу.
А на чём ещё работает промышленность?
Фреоны долго были в работе холодильного оборудования, но они разрушают озоновый слой планеты. Поэтому крупная промышленность, где объемы заправки измеряются сотнями литров, держится на другом газе - аммиаке (R717). Он очень токсичен и опасен для человека, но обладает обалденной энергоэффективностью. Аммиачные установки потребляют до 40% меньше энергии.
Новое и «зеленое» слово в технике это системы на углекислом газе (CO2) , он же R744. Он не горит, как пропан, не ядовит, как аммиак, и экологичен. Правда, чтобы заставить CO2 работать, компрессорам приходится создавать огромное давление до 120 бар, против 15 бар в обычном кондиционере. Такие системы сейчас активно внедряют передовые торговые сети в своих супермаркетах.
В магазинах кондиционеры, которые умеют работать в двух режимах (холод/тепло), продавцы часто называют «зима-лето». Но технически правильное их название реверсивные кондиционеры или кондиционеры с функцией теплового насоса.
Как мы уже выяснили, холодильная установка просто переносит тепло из одной зоны в другую. Здесь все работает все ровно таким же образом. Только специальный клапан меняет по сути местами по функционалу внешний и внутренний блоки. Внутренний блок в комнате превращается в горячий конденсатор и дует теплым воздухом, а уличный в ледяной испаритель, который собирает тепло из уличного воздуха и тащит их в дом. И работа таких устойств тоже ограничена законами термодинамики. Чем теплее на улице тем легче кондиционеру загонять тепло в дом. Если на улице холодно, то и тепла будет мало. Температурный режим ограничен возможностями установки и характеристиками фреона. Поэтому работают такие системы по разному. Какие-то до -5, какие-то до -15 градусов.
А где еще применяются эти холодильники наизнанку?
В современных электромобилях используются для обогрева именно такие установки ввиду энергоэффективности. За один потраченый кВт энергии такие установки могут добыть около 3 кВт тепла. Много зависит от условий, но смысл понятен.
Сушильные машины с тепловым насосом (Heat Pump). Раньше сушилки работали как большие фены. Внутри стояли мощные электрические ТЭНы, которые жрали по 5 кВт электроэнергии из розетки, раскаляли воздух и выдували влагу наружу. Новые машинки потребляют меньше 1 кВт, а сушат в разы эффективнее. Внутри них встроен самый настоящий холодильник. Конденсатор греет воздух. Горячий сухой воздух идет в барабан и забирает влагу из мокрого белья. Напитавшись влагой, этот воздух выходит из барабана и попадает на холодный радиатор-испаритель. Теплая влага при контакте с холодом превращается в капли и стекает в резервуар. Воздух становится сухим. И так по кругу. Электричество тратиттся только на вращение барабана и работу компрессора.
Холодильники без компрессоров.
Обещал же рассказать о таких системах.
Абсорбционные системы.
Если вы спросите у старшего поколения, они наверняка вспомнят советские бесшумные холодильники. В них не было компрессора и движущихся деталей. Самые первые такие приборы работали от обычной газовой горелки или керосинки, вообще без электричества.
Роль компрессора в них выполнял нагревательный элемент. Вместо фреона там использовалась смесь аммиака и воды. При нагреве аммиак под давлением выкипал из воды в виде горячего газа, а затем остывал в радиаторе и снова шёл охлаждать камеру.
От бытовых аммиачных систем в квартирах со временем отказались из-за токсичности при утечках. Но принцип до сих пор живет в тихих газовых холодильниках для автодомов.
Сейчас абсорбционные технологии переживают настоящий бум в большой энергетике и промышленности. Огромные установки называются АБХМ или абсорбционные чиллеры. Это идеальное решение для предприятий, у которых есть много побочного тепла.
Элементы Пельтье
С виду просто плоская пластина, к которой подходят два провода, а внутри спрятан пирог из хитрых полупроводников. Когда мы подаем на нее ток, одна сторона пластины становится ледяной, а противоположная горячей. Ток принудительно переносит тепло с одной поверхности на другую.
На них работают маленькие автомобильные холодильники-сумки или небольшие офисные шкафы для вина.
У этих элементов есть плюсы: они бесшумные, компактные, не боятся тряски в багажнике, а если поменять полярность проводов (плюс и минус местами), то холодная и горячая стороны поменяются местами. Но у них очень низкая производительность и они очень прожорливы в плане электричества.
Вихревая трубка Ранка-Хилша
Отдельный вынос мозга.
Представьте себе обычную металлическую Т-образную трубку, в которую сбоку под давлением подается обычный сжатый воздух. Внутри нет вообще ничего. Ни одной движущейся детали, ни грамма жидкости или электричества.
Воздух закручивается внутри трубки в циклон. Из-за центробежных сил и трения слоев воздух сам разделяется на два потока. Горячий прижимается к стенкам и выходит с одного конца трубки, а ледяной (до -50 °C) собирается в самом центре вихря и выходит с противоположного конца. Эта технология спасение на заводах. Например, её используют для мгновенного охлаждения режущих лазерных головок или высокоточных станков. Лазер при работе выделяет огромное количество тепла, а возиться с фреоновыми трубками в зоне резания неудобно и опасно. Подали сжатый воздух и вихрь моментально остужает лазерную головку чисто за счет геометрии и законов аэродинамики.
Заклюсение. Надюсь получилось интеесно. Я старался.
