Введение

Настоящаякнигапредназначенавпервуюочередьдляначинающихизучениеосновхолодильнойтехники.

Основнымиобъектами,представляющимихолодильнуютехнику,явля-ютсятехническиеустройствадляполученияискусственногохолода–холо-дильныемашины.Холодильнаятехникавсовременномпониманиивесьмаобширнаиразнообразнакакповидамрешаемыхеюзадач,такипообластям

применения,чтобудетпоказановформекраткогоисторическогообзора.Здесьрассматриваютсяпринципыработылишьосновныххолодильныхмашин,нашедшихприменениевпромышленностиибыту,даетсятеорияпроисходя-щихвнихпроцессов,рассматриваютсясовокупностипроцессов–обратныетермодинамическиециклы.

Краткий исторический обзор

Холодильнаятехникаявляетсяотносительномолодойидинамичнораз-вивающейсяобластьютехники.Хотяестественныйхолодиспользовалсячело-вечествомдляконсервированияпищевыхпродуктовикондиционированияужесдоисторическихвремен,выработкаискусственногохолодахолодильнымимашинамибылаосуществленалишьв19-мвеке.Тоестьхолодильныемашиныпоявилисьзначительнопозже,чемпаровыедвигатели.

Первойдействующейхолодильноймашинойбылавоздушнаяхоло-дильнаямашина,изобретеннаяипостроеннаяамериканскимврачомДжономГорив1845году.ХолодильнаямашинаработалаводнойизбольницштатаФлорида.Онапроизводилаводныйлед,которыйзатемиспользовалсядлякон-диционированияпалат.В1851годуГориполучиламериканскийпатентнасвое

изобретение.Этавесьманесовершеннаястехническойточкизрениямашинаположиланачаловесьмамногочисленномуиразнообразномуклассухолодиль-ныхмашин,использующихдляполученияохлаждающегоэффектарасширениегаза.Онасталапрообразомсовременныхпромышленныхгазовыххолодиль-ныхмашин.

Другаяпопринципуработы–парокомпрессионнаяхолодильнаямаши-на-вкачествеохлаждающегопроцессаиспользуетиспарениежидкости.Ихо-

тянауровненаучнойидеивозможностьсозданиятакоймашинывысказываласьещев1748годупрофессороммедициныУниверситетаг.ГлазгоУильямомКул-леном,ав1806годуамериканскийинженерОливерЭвансдажеопубликовал

описаниетакоймашины,годомееизобретенияпринятосчитать1834.ИменнотогдаанглийскийинженерЯкобПеркинсполучаетбританскийпатентна«ап-паратдляпроизводствахолода».Именновэтомпатентесхемапарокомпресси-

оннойхолодильноймашиныприобрелавсенеобходимыедлянепрерывнойра-ботыэлементыипредставленавзавершенном,соответствующемсовременнымпредставлениямвиде.Перкинсбылспециалистомпопаровымдвигателямисамнеоценилдолжнымобразомсвоегоизобретения.Вовсякомслучае,оннепредпринялпопыткисоздатьдействующуюхолодильнуюмашинупосвоему

патенту.МашинапопатентуПеркинсабылапостроеналишьпослеегосмертиА.Твиннигомв1848году.Внастоявшеевремяпарокомпрессионнаяхолодиль-наямашинаявляетсясамойраспространеннойвпромышленностиибыту.

В1810годувВеликобританиипрофессорЭдинбургскогоуниверситетаДжонЛеслипредложилиспользовать дляохлаждениятехнологию,основаннуюнапроцессеабсорбции(поглощения)сернистогогазаводой.Достоинствомданногопроцессаявляетсято,чтоегоможноосуществитьбезиспользования

движущихсячастей,авкачествеисточникаэнергиииспользоватьобогревспомощьюобычнойтогдаугольнойтопки.Двежеранееописанныехолодиль-ныемашиныявляютсякомпрессионными,тоестьиспользуютдлясжатиягазасложныйвизготовленииидорогойкомпрессор.Однакопервоеработающеехолодильноеустройствоабсорбционноготипабылосозданотолькосороклетспустяв1850годуфранцузомЭдмондомКарре.ЕгобратФердинандКарре

усовершенствовалэтуустановкуив1859годупредставилохлаждающееустройство,работавшеенаосновеабсорбциисиспользованиемводно-

аммиачнойсмеси.Ав1862годунавыставкевЛондонеонпредставилсвоюмашину,производившуюдо200кгльдавчас.Именнопоследняядатачащевсегоупоминаетсякакдатасозданияабсорбционнойхолодильноймашины.

Последняяпопринципуработыхолодильнаямашина,имеющаяпро-мышленноеприменение,–пароэжекторная,быласозданаМ.Лебланомв1910

годупопатенту1894года.Также,какиабсорбционная,пароэжекторнаяхоло-дильнаямашинанеимееткомпрессораиявляетсятеплоиспользующей.

С70-хгодов19-гостолетияначинаетсяактивноеприменениехолодиль-ныхмашинвразличныхотрасляхпромышленности,атакжедляхраненияпи-щевыхпродуктов.Приэтомведутсяработыпоихтехническомусовершенство-

ваниюипоявляютсяпредприятияпопроизводствухолодильныхмашин.В

начале20-гостолетиявырисовываетсявполнеопределенноепреимуществопа-рокомпрессионныххолодильныхмашиндлявыработкиумеренногохолодаиопределяютсяобластинаиболееэффективногоприменениятогоилииноготи-пахолодильныхмашин.

Помимовышеперечисленных,в19-мвекеразрабатывалисьисоздава-лисьтакжедругиетехническиеустройствадляполучениянизкихтемператур.Многиеизнихнеработалипозамкнутомуциклу,иснижениетемпературыв

нихбылоодноактным.Какправило,этиустройстваотносилиськлаборатор-нойтехникеислужилицелям конкретногонаучногоэксперимента.

Средихолодильныхмашин,ненашедшихпромышленногоприменения,следуетвыделитьтермоэлектрическуюхолодильнуюмашину,котораявыпус-

каетсясерийноинаходитприменениедлясозданиятранспортных(главнымобразомавтомобильных)холодильниковиохлаждающихтермоэлементовв

электронике.Эффекттермоэлектрическогоохлаждения,открытыйфранцуз-скимфизикомЖаномШарлемПельтьев1834году,заключаетсявтом,чтоприпропусканиипостоянноготокачерезтермоэлемент,состоящийиздвухпроводников,вместеихсоединениявыделяетсяилипоглощаетсянекотороеколичествотеплоты,котороепропорциональносилетока.Однакоиспользова-ниеэтогоэффектадляпостроенияхолодильноймашиныдолгоевремябылоне-

возможнымиз-заеговесьмамалойвеличины.Илишьв30-егоды20-говека,благодаряработамакадемикаА.Ф.Иоффеиегоучениковпоразработкеполу-проводниковыхматериаловсвысокимизначениямитермоэлектрическихпо-тенциалов,имибылисозданыпервыеобразцытермоэлектрическойхолодиль-ноймашины.

Одновременноссозданиемхолодильныхмашинразвивалосьидругоенаправлениехолодильнойтехники–сжижениевеществ,находящихсяприесте-

ственныхтемпературахвгазообразномсостоянии.

Ужев18-мвекеученыезаметили,чтодлясжижениянеобходимопо-вышатьдавлениегазаиснижатьеготемпературу.Ксередине19-говека,ис-пользуядоступныевтовремяспособыохлаждения–льдосоляныесмесииис-парениежидкостей,былисжиженыпочтивсеизвестныевтовремягазы.Неподдалисьлишьшесть:водород,азот,кислород,диоксидазота,оксидуглеродаиметан.Поэтомуихсталиназывать«постоянными»газами.Однакоанглий-скийфизикМайклФарадейбылнесогласенстакимопределением.Онпервымвысказалпредположениеосуществованиипредельнойтемпературы,вышеко-торойгазнеможетбытьсжиженприлюбомдавлении.ЭтопредположениевдальнейшембылонаучнообоснованоидоказаноД.И.Менделеевымв1961годуианглийскимхимикомидоктороммедициныТомасомЭндрюсомв1969году.Эндрюссумелэкспериментальноопределитьэтутемпературудляуглекислогогазаиввелвобиходтермин«критическаятемпература».Сэтогомоментасталоясно,чтодальнейшеесжижение«постоянныхгазов»возможнолишьприпо-ниженииихтемпературынижекритической,чтотребовалоразработкиновых,болеесовершенныхспособов охлаждения.

Однойизпримечательныхвехнаэтомпутистал1877год.ВэтомгодупочтиодновременнофранцузскомуученомуЛуи-ПольКайетеишвейцарскому

РаулюПиктеудалосьполучитьжидкийкислород.Приэтомимибылвпервыепреодолентемпературныйрубеж-120ºС.Поэтому1877годможнопоправусчитатьгодомрождениякриогеннойтехники-низкотемпературногоответвле-нияхолодильнойтехники.

Другойважнойвехойвразвитиикриогеннойтехникиявилосьразработ-канемецкимученымиинженеромКарломЛиндев1895годукриогеннойуста-новки,работающейпорегенеративномудроссельномуциклу.Этаустановкапо

ожижениювоздуха,позволяющаяпроизводитьегонепрерывнодесяткамилит-ров,вывелакриогеннуютехникунапромышленныйуровень.ИхотяпатентнаэтотспособожиженияЛиндеподалнамесяцпозже,чемработающийвтомженаправленииангличанинВильямХемпсон,егоприоритетневызываетсомне-

ния.ВедьковремениподачипатентаустановкаЛиндеужеработала,авпатен-теХемпсонанебылочеткогоуказаниянапроцессдросселирования.

ОдновременносэтимЛиндевыдвинулидеюразделенияжидкоговозду-хаметодомректификациинаазотикислород,которуювоплотилвжизньв1902году,когдазаработалаперваякислороднаястанция.

Внастоящеевремяхолодсталнепременнымэлементомсовременногобыта,областьегоиспользованияширока.Труднопредставитьжизнькрупныхгородов,развитиепищевойпромышленности(молочной,мясной,рыбнойи

т.д.)иторговлибезхолодильныхмашинразличноймощности.Спомощьюхо-лодаосуществляетсякондиционированиевоздухавпроизводственныхибыто-выхпомещениях.Вхимическойинефтехимическойпромышленностихоло-дильнаятехникаитехнологииприменяютсядляпроизводствагазов(получениеазота,кислорода,аргонаизвоздуха,газовпиролизаикрекинганефти,углекис-логогаза,хлора,аммиакаидр.).Холодильныемашинынаходятприменениеприпроизводствеискусственноговолокна,пластмасс,припроизводствеискус-ственногокаучука,минеральныхсолейисмазочныхмасел.Применяютсяприхранениирядапродуктовхимическойпромышленности.Встроительствехолодприменяютприсооружениишахт,туннелей,плотин,приукреплениифунда-ментоввслучаеработвводоносныхгрунтах.Приэтомработыведутсясзамо-раживаниемгрунтов.Применяютсядляохлаждениябетонаприукладке,дляповышенияпрочностиособоответственныхконструкций.Вмашиностроениипривыполнениинеподвижныхпосадокдеталей,приобработкевязкихматери-алов,привыполненииглубокихвытяжекипригибкетруб,атакжеприизго-товленииособоточногомерительногоинструмента.Вопреснительныхуста-новкахдляполученияпреснойводы.Вльдогенераторахдляполученияпище-вогольда.Всельскомхозяйствеприхолодильнойобработкеихранениисемяннекоторыхрастений.Вмедицинепоявилисьнаправлениялеченияхолодом–криохирургияикриотерапия.Дажеразвитиеспортапотребовалопримененияхолодильныхмашиндлясозданияискусственныхкатков.

Энергетикаипроизводствохолоданеразрывносвязанымеждусобой.Искусственноеохлаждение(т.е.охлаждениенижетемпературыокружающейсреды)можетпроизводитьсятолькосзатратойэнергии,чащевсегоэлектриче-ской,расходуемойнаприводхолодильноймашины.Потребляемаямощностьсовременныххолодильныхмашинколеблетсяотнесколькихдесятковваттдо

тысячкиловатт,взависимостиотхолодопроизводительностимашин.Так,ча-соваяхолодопроизводительностькрупныххолодильныхустановоксоставляетотсотентысячдонесколькомиллионовкилоджоулей.Этиустановкиобеспе-чиваюткачественноехранениевхолодильныхкамерахогромногоколичествапищевыхпродуктов.Соответственноизатратыэлектроэнергиизначительны.Чтобыуменьшитьпотреблениеэлектроэнергии,впрошедшеестолетиеучены-мииинженерамибылапроделанаогромнаяработапосовершенствованиюхо-лодильногооборудованияиповышениюегоэнергетическойэффективности.

Большоевниманиевпоследниедесятилетияуделяетсявопросамэколо-гическойипромышленнойбезопасностихолодильнойтехники.Разрабатыва-ютсяновые,болеебезопасныевещества:холодильныеагентыихладоносители,

используемыевхолодильныхмашинах,ведетсяпоискновыхконструкторскихрешений, повышающихбезопасность холодильныхустановок.

Продолжаютсянаучныеработыпосовершенствованиюхолодильныхмашин,неполучившихпромышленногопримененияиз-занизкойэнергетиче-скойиэкономическойэффективности.Многиеизэтихмашин,напримертер-моэлектрические,имеютважныепреимуществапередтрадиционнымипро-мышленнымихолодильнымимашинами.Ктакимпреимуществамотносятсякомпактность,отсутствиедвижущихсячастейишума,экологическаяиобщая

безопасность.Ведетсятакжепоискновыхпринциповполученияхолодаино-выхтиповхолодильныхмашин.

Большойинтересфизикивсегомирауделяютвопросуполучениясверх-низкихтемператур.Вобластисверхнизкихтемпературматерияраскрываетно-вые,необычныедляклассическойфизикиквантовыесвойства.

В1908годувЛейденскомуниверситетеподруководствомнидерланд-скогоученогоХейкеКамерлинг-Оннесабылсжиженпоследний«постоянный

газ»–гелий.ГелийотличаетсяоченьнизкойкритическойтемпературойиприегосжиженииКамерлинг-Оннесупришлосьдостичьрекорднойтемперату-ры0,9К,чтоужепревосходитсамыенизкиетемпературы,наблюдаемыевокружающемкосмосе.Сжижениегелияпозволилоизучатьсвойствавеществпритемпературах,ранеенедоступных.В1911годупритемпературе4,1ККа-мерлинг-Оннесоткрылявлениесверхпроводимостиртути.Заэтидостижения

емув1913годубылаприсужденаНобелевскаяпремия.

Припроведенииэкспериментовоказалось,чтопринизкойтемпера-туресопротивлениемногихметалловобращаетсявнуль.Внастоящеевремяявлениесверхпроводимостиактивноиспользуетсявфизическихэкспериментахивнедряетсявпромышленность.Ужепоявилисьвысокотемпературныесверх-проводники,укоторыхявлениесверхпроводимостинаблюдаетсяпритемпера-турахнауровне100К.Явлениесверхпроводимостииспользуетсявсамойбольшойэкспериментальнойустановкевмире–большомадронномколлайдеренаучно-исследовательскогоцентраЕвропейскогосоветаядерныхисследований.Дляудержания,коррекцииифокусировкипротонныхпучковиспользуются1624сверхпроводящихэлектромагнита,работающихпритемпературе1,9K,общаядлинакоторыхпревышает22км.

В1938годусоветскийфизикакадемикПѐтрЛеонидовичКапицаот- крылявлениесверхтекучестижидкогогелия-II,котороезаключаетсяврезкомснижениикоэффициентавязкости,вследствиечегогелийтечѐтпрактическибезтрения.В1978годуКапицаполучилНобелевскуюпремиюпофизикезафун-даментальныеоткрытияиизобретениявобластифизикинизкихтемператур.

В1964годугруппаученыхподруководствомНиколасаКюртивКла-рендонскойлабораториивОксфорде,используяметодадиабатногоразмагни-чиванияядератомовмеди,достиглатемпературы1,2×10^-6К.

ВодномиззаконовквантовоймеханикиАльбертомЭйнштейномнаосновеработШатьендранатаБозетеоретическибылопредсказаносущество-ваниеособогосостояниявещества(конденсатБозе-Энштейна),прикоторомквантовыеэффектыпроявляютсянамакроуровне.Семьдесятлетспустя,в

1995году,первыйконденсатБозе-ЭнштейнабылполученвОбъединѐнномин-ститутелабораторнойастрофизики(JILA)(относящемусякУниверситетушта-

таКолорадовБоулдереиНациональномуинститутустандартов)ЭрикомКор-нелломиКарломВиманом.Учѐныеиспользовалигазизатомоврубидия,охла-ждѐнныйдо5,9пикокельвин(пК)(5,9×10^−12К).ЗаэтуработуимсовместносВольфгангомКеттерлеизМассачусетскоготехнологическогоинститутабылаприсужденаНобелевскаяпремияпофизике2001года.