В самый разгар летней жары трудно думать о чём-то другом кроме низких температур. И сегодня мы поговорим об одном из интересных способов их достижения, который малоизвестен широкой публике (что, однако, не исключает его известности у интересовавшихся этим вопросом).
Когда заходит разговор о не совсем стандартных способах получения низких температур, интернет заполнен в основном различными вариациями одного и того же способа — использованием элементов Пельтье: больше, меньше элементов, с радиаторами, без радиаторов и т. д. и т. п.
А если я скажу вам, что существует способ получения достаточно низких минусовых температур без какого-либо электропитания?
Причём способ этот не импульсный, позволяет непрерывно получать низкую температуру, а устройства, построенные на его основе, называются абсорбционными холодильниками, правда, тут нужно оговориться, что подобные холодильники всё же допускают использование электроэнергии для своей работы. Но сначала давайте разберёмся — а какие вообще газовые холодильники бывают? Здесь мы умышленно оставим за скобками иные типы холодильников, например, термоэлектрические на элементах Пельтье, так как это не предмет нашего исследования.
▍ Типы газовых холодильников
Говоря о широко известных типах газовых холодильников, их можно разделить на компрессионные и абсорбционные.
По принципу действия их можно считать почти одинаковыми: оба типа холодильников построены на использовании отбора тепла из охлаждаемой камеры с помощью жидкого хладагента. Например, на картинке ниже в левой части (а) показана принципиальная схема компрессионного холодильника, в то время как в правой части (б) — абсорбционного:
Принцип действия компрессионного холодильника основан на том, что механический компрессор (1) сжимает газообразный хладагент, испаряющийся внутри испарителя (2) (которым выступает змеевик внутри холодильника), и направляет его в большой змеевик-конденсатор (3), находящийся позади холодильника и охлаждающийся окружающим воздухом. Конденсатор и испаритель разделены так называемым вентилем (4), суть которого заключается в создании разницы давлений между конденсатором и испарителем. В качестве подобного вентиля в реальных холодильниках выступает так называемая капиллярная трубка — медная трубка с очень маленьким проходным сечением (например, 0.2 мм). Таким образом, за счёт маленького проходного сечения трубки через неё может проходить только ограниченное количество сжиженного хладагента в единицу времени, благодаря чему в секторе конденсатора увеличивается давление, и несмотря на относительно высокую температуру (40–50°), хладагент сжижается, в то время как в условиях гораздо более разряжённой атмосферы в секции испарителя при температурах –5°… –10° хладагент закипает и испаряется, отбирая тепло и понижая температуру в камере холодильника.
Принцип действия абсорбционного холодильника весьма схож, как можно видеть по картинке (б): точно так же холодильник охлаждается с помощью хладагента, кипящего в испарителе (2). Также для превращения хладагента в жидкую форму служит конденсатор (3).
Но на этом сходства заканчиваются, так как в этом случае вместо компрессора используется так называемый тепловой компрессор, в качестве которого выступает абсорбер (5) и генератор (6), где в абсорбере хладагент (аммиак) жадно поглощается водой, что по своей сути соответствует всасывающему такту поршневого компрессора в компрессионных холодильниках. Связано это с тем, что аммиак очень сильно поглощается водой: например, при 0° 1 л воды может поглотить более 1 000 л аммиака. Далее этот водоаммиачный раствор поступает в генератор, где раствор подогревается, и из него начинает активно испаряться аммиак — этот этап соответствует нагнетательному такту в компрессионных холодильниках.
В компрессионных холодильниках в качестве хладагента используется фреон, а в абсорбционных — аммиак, за счёт больших возможностей его поглощения водой.
Несмотря на то, что абсорбционный принцип известен достаточно давно, построить на его основе работающую установку долгое время не удавалось, так как для этого необходимо было решить противоречия: в одном и том же в газовом контуре на одних участках давление должно быть высоким, а на других — низким, кроме того, необходимо было включить в систему какой-то нагнетательный насос.
Да, в наше время это кажется достаточно простым, но на тот момент инженерам это не удавалось, и только в 1922 году шведским изобретателям Платену и Мунтерсу удалось решить этот вопрос, причём весьма оригинально — дополнительно включив в систему газообразный водород, а также тем, что их система не содержит каких-либо вентилей, компрессоров, а суммарное давление во всех частях системы одинаково, но есть нюансы: дело в том, что согласно закону Дальтона суммарное давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений её компонентов, то есть тех давлений, которые каждая из компонентов смеси имела бы, если бы заняла весь доступный объём.
В созданном изобретателями холодильнике, несмотря на то, что общее давление в системе везде одинаковое, давление водорода существенно выше в испарителе и абсорбере. Таким образом, суммарное давление системы составляет 14–16 атмосфер, при этом давление паров аммиака в испарителе достигает 2–3 атмосферы, то есть водород автоматически устанавливает нужные давления в частях системы даже без всяких вентилей.
Для обеспечения циркуляции же (так как в генераторе не весь аммиак будет испаряться из воды, в результате чего будет образовываться газообразный аммиак и обеднённый раствор, который необходимо вновь подавать в абсорбер), они просто-напросто абсорбер расположили чуть ниже генератора. А для подачи жидкости с более низкого уровня на высокий (то есть из абсорбера в генератор), они соединили их простым устройством под названием термосифон, которое представляет собой простую трубку, соединённую с дном абсорбера и верхней частью генератора.
Трубка по всей своей длине подогревается тем же самым источником тепла, что и генератор. Таким образом, внутри трубки, заполненной раствором, образуются пузырьки газообразного аммиака, жидкость в целом становится как бы легче и начинает переливаться из нижнего уровня в верхней (из абсорбера — в генератор).
В итоге изобретателям удалось создать крайне удачное устройство, которое не содержит каких-либо движущихся механических частей, сложных элементов конструкции (вентилей), но в то же время вполне себе отлично работает!
Это вызвало большой интерес со стороны промышленников к подобному устройству и начиная с 1922 года подобные холодильники стали активно производиться. Мало того, подобный тип холодильников, не претерпев серьёзных изменений, вполне успешно производится и по сей день!
Сильными сторонами подобного типа холодильников является не только отсутствие каких-либо движущихся механизмов в составе конструкции (а, соответственно, отсутствие потребности в осуществлении техосмотров и смазки механизмов), но и всеядность: подобные холодильники могут работать от любого источника тепла, в качестве которого может выступать как электричество, так и любой иной нагрев! Например, известны холодильники, использующиеся в автодомах для путешествий, где в качестве источника нагрева используется три варианта:
- от электричества 220 вольт,
- от электричества 12 вольт,
- от газовой горелки.
Кроме того, сильной стороной подобных холодильников является практически полная бесшумность (ну, может, только слабое шипение, если используется газовая горелка для подогрева), а также большая долговечность (известны экземпляры, произведённые более чем 50 лет назад и всё так же успешно работающие и ныне).
▍ Изучение конструкции реально существующих холодильников
Ниже мы рассмотрим усреднённую конструкцию производимых промышленностью абсорбционных холодильников (производятся ли ещё на данный момент — неизвестно), чтобы понять некоторые их нюансы.
Изучение конструкции реальных холодильников поможет лучше понять их устройство и принцип действия и, кто знает, может быть, вы когда-то соберёте и свой такого типа? ;-)
Промышленностью производится ряд холодильников с объёмом рабочей камеры от 30 до 200 дм³, где потребляемая мощность варьируется от 75 до 200 Вт:
В своей работе показанные выше холодильники используют следующие компоненты смеси для загрузки:
- аммиак: бесцветный газ с очень резким запахом, легко растворяется в воде. Водный раствор аммиака имеет щелочную реакцию, благодаря чему его утечки легко обнаруживаются: лакмусовая бумажка синеет при попадании на неё паров воды, содержащих аммиак;
- абсорбент: бидистиллят воды;
- ингибитор: для защиты внутренней поверхности трубопроводной системы от коррозии в состав раствора вводят хромат натрия в количестве приблизительно 2% от объёма раствора;
- инертный газ: водород.
Водоаммиачный раствор изготавливается с помощью смешивания аммиака с дистиллированной водой двойной перегонки. Система заполняется этим раствором под давлением 1,47–1,96 МПа, при этом количество раствора для заполнения агрегата варьируется от 350 до 750 см³, а концентрация аммиака в нём составляет 34–36%.
Насыщение водного раствора аммиаком ведётся при включённой вытяжной вентиляции. Также необходимо учитывать, что аммиак является горючим газом, и рядом не должно быть открытого огня.
Создание водоаммиачного раствора и заправка раствором холодильного агрегата производятся по определённым регламентам, которые можно найти в специализированной литературе, например, приведённой в конце этой статьи.
Электронагреватели таких аппаратов в общем случае изготавливаются из нихромовой проволоки X20H80-H-1-0,25 сечением 0,25 мм, свитой в спираль (2), на которую надеты фарфоровые втулки (4):
Сама же спираль вставлена в металлическую гильзу длиной 200–250 мм и диаметром 20–25 мм (1), сделанную из трубы. Оставшееся свободное пространство между гильзой и втулками спирали заполнено песком (3).
В зависимости от требуемой мощности нагреватели могут разделяться по количеству ступеней (1-2-3) и по напряжению. Например, одноступенчатый нагреватель имеет мощность 125 Вт, в то время как двухступенчатый — 200 и 75 Вт (мощность может переключаться по потребности).
Нужная мощность может выставляться владельцем холодильника вручную с помощью соответствующего переключателя, либо, в случае с использованием газового подогрева, также с помощью выставления нужного расхода сгорающего газа.
Для обеспечения же автоматического режима работы холодильники снабжаются терморегуляторами (типа АРТ-2А или Т-110), которые обеспечивают циклический режим работы, который ввиду некоторой инертности холодильного цикла обеспечивает нужную температуру, в то же время сохраняя экономичность холодильника.
Рассмотрим работу конкретного агрегата на примере известного холодильника «Морозко-3М»:
Концентрированный водоаммиачный раствор подогревается с помощью нагревателя (14) в термосифоне (10) генератора (9) до достижения температур 165–175°, при этом образуется парожидкостная смесь с меньшим удельным весом, чем вес концентрированного раствора в сборнике (2). После того как смесь выходит из термосифона, от неё отделяется водоаммиачный пар, в то время как слабоаммиачный раствор через трубку (12) поступает в верхнюю часть абсорбера (4). Далее пар через трубку (13) поступает в регенератор (11), после чего подаётся через дефлегматор (6) в конденсатор (7).
Охлаждение пара концентрированным раствором в регенераторе 11 даёт увеличение концентрации пара без непроизводительных потерь тепла. Дальнейшее повышение концентрации пара (для чего используется окружающий воздух) с одновременным отделением от него воды происходит в дефлегматоре (6), после чего пар поступает в конденсатор (7), а флегма — в регенератор (11).
Процесс удаления из паров аммиака паров воды производится на выходе из генератора. При этом концентрированный раствор аммиака отделяется от паров, другими словами, пары аммиака очищаются от примеси воды, при этом пары воды вместе с концентрированным раствором возвращаются в генератор.
Далее пары конденсируются в концентраторе, после чего сливаются в испаритель (8), где происходит испарение жидкого аммиака, в ходе которого происходит поглощение тепла из окружающей камеры.
В системе между абсорбером и испарителем происходит циркуляция водорода под высоким давлением в смеси с аммиаком.
После испарителя пароводородная смесь спускается через регенеративный газовый обменник (5) в сборник раствора (2), куда также поступает и неиспарившаяся часть жидкого аммиака. В это же время выходящая из испарителя пароводородная смесь отдаёт аммиак сливающемуся сверху противотоком слабому аммиачному раствору, стекающему вниз.
После того как пароводородная смесь очистилась от большей части аммиака, она становится бедной, у неё уменьшается удельный вес, и она вытесняется из абсорбера более богатой смесью, после чего поступает в регенеративный теплообменник (5), где происходит её охлаждение с помощью насыщенной пароводородной смеси, поступающей из испарителя. Далее бедная пароводородная смесь поступает в испаритель.
Водоаммиачный раствор, обогатившись аммиаком в абсорбере, поступает в сборник раствора (2), теплообменник (1), где происходит его подогрев слабым раствором, возвращающимся из генератора, после чего нагретый раствор поступает в термосифон (10) и процесс повторяется.
Интенсификация процессов теплообмена холодильника обеспечивается за счёт развитой оребрённой снаружи поверхности трубок.
Аккумулятор водорода (3) используется для сбора водорода и газообразного аммиака, выполняя роль стабилизатора работы холодильного агрегата в случае повышения температуры окружающей среды.
▍ Апгрейд
А теперь подумаем, можем ли мы как-то улучшить работу подобного агрегата?
Как нетрудно было заметить по описаниям выше, основными типами холодильников абсорбционного типа являются всё же подогреваемые с помощью электричества, что не совсем удобно в ряде применений — например, для выездов на природу или в походе. Почему: так как потребует использования соответствующего электрогенератора, который будет, как правило, бензиновым, производящим большое количество выхлопных газов и шума. Кроме того, подобные генераторы не отличаются особой экономичностью и придётся запастись изрядным количеством топлива.
Но есть альтернатива — многие любители берут подобные холодильники, производимые серийно, и переводят их кустарным способом на иные источники подогрева, например газовый подогрев, как в видео ниже, где человек перевёл подобный холодильник на подогрев с помощью газовой горелки, что обеспечивает бесшумную работу холодильника круглые сутки во время походов. При этом потребление нагревателя составляет всего лишь 2,5 л пропана на 5 суток непрерывной работы:
А здесь вариант автодома для установки такого холодильника:
Применив же свои навыки электронщика и программиста, можно легко обеспечить кратковременно-периодичный режим работы системы для увеличения её экономичности.
В результате мы можем получить весьма надёжный, бесшумный и экономичный агрегат, дающий нам возможность охлаждения продуктов весьма продолжительное время вдали от цивилизации.
Более ленивые же могут просто взять готовый газовый холодильник для автодомов и просто использовать его в своих целях.
Особо экстремальные самодельщики могут попробовать изготовить его самостоятельно, тем более принцип его работы не так уж и сложен.
Для желающих более сильно углубиться в холодильные процессы, думается, будет весьма полезен источник [2] в списке источников ниже, так как там, в главе VIII, даётся разбор и иных видов смесей для абсорбционных холодильников, а также весьма подробный разбор физики протекающих процессов в целом (кликабельно):
В любом случае, полагаю, что подобное устройство займёт достойное место в арсенале любого путешественника и туриста!
▍ Список использованных источников
- Интернет-газета «Холодильщик».
- А. В. Быков – «Теплофизические основы получения искусственного холода».
- Д. А. Лепаев, В. В. Коляда – «Ремонт холодильников».
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️
