Refrigerare - Refrigeration

Refrigerare comercială

Termenul de refrigerare înseamnă răcirea unui spațiu, substanță sau sistem pentru a scădea și / sau a-și menține temperatura sub cea ambientală (în timp ce căldura eliminată este respinsă la o temperatură mai mare). Cu alte cuvinte, refrigerare este artificială (făcut de om) de răcire . Energia sub formă de căldură este îndepărtată dintr-un rezervor cu temperatură scăzută și transferată într-un rezervor cu temperatură ridicată. Opera de transfer de energie este în mod tradițional condusă prin mijloace mecanice , dar poate fi condusă și de căldură, magnetism , electricitate , laser sau alte mijloace. Refrigerarea are multe aplicații, inclusiv frigidere de uz casnic , congelatoare industriale, criogenică și aer condiționat . Pompele de căldură pot utiliza puterea de căldură a procesului de refrigerare și, de asemenea, pot fi proiectate pentru a fi reversibile, dar sunt altfel similare cu unitățile de climatizare.

Refrigerarea a avut un impact mare asupra industriei, stilului de viață, agriculturii și modelelor de așezare. Ideea conservării alimentelor datează cel puțin de la vechile imperii romane și chineze. Cu toate acestea, tehnologia de refrigerare mecanică a evoluat rapid în secolul trecut, de la recoltarea gheții până la vagoanele feroviare controlate de temperatură . Introducerea vagoanelor feroviare frigorifice a contribuit la extinderea spre vest a Statelor Unite, permițând așezarea în zone care nu se aflau pe principalele canale de transport, cum ar fi râurile, porturile sau traseele de vale. S-au dezvoltat așezări și în părți infertile ale țării, pline de resurse naturale nou descoperite.

Aceste noi modele de așezare au declanșat construirea unor orașe mari care sunt capabile să prospere în zone despre care altfel se credea că erau inospitaliere, cum ar fi Houston , Texas și Las Vegas , Nevada. În majoritatea țărilor dezvoltate, orașele depind în mare măsură de refrigerarea din supermarketuri pentru a-și obține hrana pentru consum zilnic. Creșterea surselor de hrană a dus la o concentrare mai mare a vânzărilor agricole provenind de la un procent mai mic de ferme. În prezent, fermele au o producție mult mai mare pe persoană în comparație cu sfârșitul anilor 1800. Acest lucru a dus la noi surse de hrană disponibile pentru populații întregi, care au avut un impact mare asupra nutriției societății.

Istorie

Primele forme de răcire

Recoltarea sezonieră a zăpezii și a gheții este o practică antică estimată a fi început mai devreme de 1000 î.Hr. O colecție chineză de versuri din această perioadă cunoscută sub numele de Shijing , descrie ceremoniile religioase pentru umplerea și golirea pivnițelor de gheață. Cu toate acestea, se știe puțin despre construcția acestor pivnițe de gheață sau despre scopul gheții. Următoarea societate antică care înregistrează recoltarea gheții ar fi putut fi evreii din cartea Proverbe, care spune: „La fel ca frigul zăpezii în timpul secerișului, așa este și un mesager fidel celor care l-au trimis”. Istoricii au interpretat acest lucru în sensul că evreii foloseau gheață pentru a răci băuturile, mai degrabă decât pentru a conserva mâncarea. Alte culturi antice, cum ar fi grecii și romanii, au săpat gropi mari de zăpadă izolate cu iarbă, pleavă sau ramuri de copaci ca depozit frigorific. La fel ca evreii, grecii și romanii nu au folosit gheață și zăpadă pentru a conserva mâncarea, ci în primul rând ca mijloc de răcire a băuturilor. Egiptenii au dezvoltat și metode de răcire a băuturilor, dar în loc să folosească gheață pentru răcirea apei, egiptenii au răcit apa punând apă clocotită în borcane de pământ puțin adânci și plasându-le pe acoperișul caselor lor noaptea. Vântul ar umezi exteriorul borcanelor și evaporarea rezultată ar răci apa. Vechii oameni din India au folosit același concept pentru a produce gheață. Persii au depozitat gheață într-o groapă numită Yakhchal și poate că au fost primul grup de oameni care au folosit depozitele frigorifice pentru conservarea alimentelor. În exteriorul australian, înainte de a fi disponibilă o sursă de energie electrică fiabilă, unde vremea putea fi caldă și uscată, mulți fermieri foloseau un seif Coolgardie . Aceasta consta dintr-o cameră cu perdele de hesie (pânză de pânză) atârnate de tavan înmuiate în apă. Apa s-ar evapora și, prin urmare, va răci perdelele hesiene și, prin urmare, aerul care circulă în cameră. Acest lucru ar permite păstrarea multor perisabile, cum ar fi fructele, untul și carnea vindecată, care în mod normal ar strica în căldură.

Recoltarea gheții

Recoltarea de gheață în Massachusetts , 1852, care arăta linia ferată în fundal, folosită pentru transportul gheții.

Înainte de 1830, puțini americani foloseau gheața la frigiderul alimentelor din cauza lipsei depozitelor de gheață și a lăzilor. Pe măsură ce aceste două lucruri au devenit disponibile pe scară largă, indivizii au folosit topoare și fierăstraie pentru a recolta gheață pentru depozitele lor. Această metodă s-a dovedit a fi dificilă, periculoasă și cu siguranță nu seamănă cu nimic care ar putea fi duplicat la scară comercială.

În ciuda dificultăților de recoltare a gheții, Frederic Tudor a crezut că ar putea valorifica această nouă marfă recoltând gheață în New England și transportând-o către insulele din Caraibe, precum și către statele din sud. La început, Tudor a pierdut mii de dolari, dar în cele din urmă a obținut un profit pe măsură ce construia case de gheață în Charleston, Virginia și în orașul portuar cubanez Havana. Aceste case de gheață, precum și nave mai bine izolate au contribuit la reducerea risipei de gheață de la 66% la 8%. Acest câștig de eficiență l-a influențat pe Tudor să-și extindă piața de gheață în alte orașe cu case de gheață precum New Orleans și Savannah. Această piață de gheață s-a extins pe măsură ce recoltarea de gheață a devenit mai rapidă și mai ieftină după ce unul dintre furnizorii lui Tudor, Nathaniel Wyeth, a inventat un tăietor de gheață tras de cai în 1825. Această invenție, precum și succesul lui Tudor, i-au inspirat pe alții să se implice în comerțul cu gheață și gheață. industria a crescut.

Gheața a devenit o marfă pe piața de masă la începutul anilor 1830, prețul gheții scăzând de la șase cenți pe lire la jumătate de cent pe lire. În New York, consumul de gheață a crescut de la 12.000 de tone în 1843 la 100.000 de tone în 1856. Consumul din Boston a crescut de la 6.000 de tone la 85.000 de tone în aceeași perioadă. Recoltarea de gheață a creat o „cultură de răcire”, deoarece majoritatea oamenilor au folosit gheață și lăzi pentru a-și păstra produsele lactate, pește, carne și chiar fructe și legume. Aceste practici timpurii de depozitare frigorifică au deschis calea multor americani pentru a accepta tehnologia de refrigerare care va prelua în curând țara.

Cercetări frigorifice

William Cullen , primul care a efectuat experimente în refrigerarea artificială.

Istoria refrigerării artificiale a început când profesorul scoțian William Cullen a proiectat o mică mașină frigorifică în 1755. Cullen a folosit o pompă pentru a crea un vid parțial peste un recipient cu dietil eter , care apoi a fiert , absorbind căldura din aerul înconjurător. Experimentul a creat chiar și o cantitate mică de gheață, dar nu a avut nicio aplicație practică în acel moment.

În 1758, Benjamin Franklin și John Hadley , profesor de chimie, au colaborat la un proiect care investighează principiul evaporării ca mijloc de răcire rapidă a unui obiect la Universitatea Cambridge , Anglia . Aceștia au confirmat că evaporarea lichidelor extrem de volatile, cum ar fi alcoolul și eterul, ar putea fi folosită pentru a reduce temperatura unui obiect care depășește punctul de îngheț al apei. Ei și-au condus experimentul cu becul unui termometru cu mercur ca obiect și cu o burduf folosit pentru a accelera evaporarea; au scăzut temperatura becului termometrului până la -14 ° C (7 ° F), în timp ce temperatura ambiantă a fost de 18 ° C (65 ° F). Au observat că la scurt timp după ce au trecut de punctul de îngheț al apei la 0 ° C (32 ° F), s-a format o peliculă subțire de gheață pe suprafața becului termometrului și că masa de gheață a fost de aproximativ 6,4 milimetri ( 14  in) groase când au oprit experimentul după ce au atins -14 ° C (7 ° F). Franklin a scris: „Din acest experiment, se poate vedea posibilitatea congelării unui om într-o zi caldă de vară”. În 1805, inventatorul american Oliver Evans a descris un ciclu închis de refrigerare prin compresie de vapori pentru producerea de gheață de eter sub vid.

În 1820, omul de știință englez Michael Faraday a lichefiat amoniacul și alte gaze, utilizând presiuni ridicate și temperaturi scăzute, iar în 1834, un american expatriat în Marea Britanie, Jacob Perkins , a construit primul sistem de refrigerare cu compresie de vapori din lume. Era un ciclu închis care putea funcționa continuu, așa cum a descris el în brevetul său:

Mi se permite să folosesc fluide volatile în scopul de a produce răcirea sau congelarea fluidelor și, totuși, în același timp, condensez constant astfel de fluide volatile și le pun din nou în funcțiune fără risipă.

Sistemul său prototip a funcționat, deși nu a reușit din punct de vedere comercial.

În 1842, o încercare similară a fost făcută de medicul american, John Gorrie , care a construit un prototip de lucru, dar a fost un eșec comercial. La fel ca mulți dintre experții medicali din acest timp, Gorrie a crezut că o expunere prea mare la căldura tropicală a dus la degenerescență mentală și fizică, precum și la răspândirea unor boli precum malaria. El a conceput ideea de a utiliza sistemul său de refrigerare pentru a răci aerul pentru confort în case și spitale pentru a preveni bolile. Inginerul american Alexander Twining a încheiat un brevet britanic în 1850 pentru un sistem de compresie a vaporilor care folosea eter.

Primul sistem practic de refrigerare prin compresie de vapori a fost construit de James Harrison , un jurnalist britanic care a emigrat în Australia . Brevetul său din 1856 a fost pentru un sistem de compresie a vaporilor care utilizează eter, alcool sau amoniac. A construit o mașină mecanică de fabricare a gheții în 1851 pe malul râului Barwon la Rocky Point din Geelong , Victoria , iar prima sa mașină de fabricat gheață comercială a urmat în 1854. Harrison a introdus și refrigerarea comercială cu compresie de vapori în fabricile de bere și carne. împachetând case și până în 1861, o duzină de sisteme sale erau în funcțiune. Ulterior, a intrat în dezbaterea modului în care să concureze împotriva avantajului american al vânzărilor de carne de vită nefrigorifică către Regatul Unit . În 1873 a pregătit nava cu vele Norfolk pentru o expediție experimentală de carne de vită în Regatul Unit, care a folosit un sistem de camere frigorifice în locul unui sistem frigorific. Proiectul a fost un eșec, deoarece gheața a fost consumată mai repede decât se aștepta.

Dispozitivul de fabricare a gheții al lui Ferdinand Carré

Primul sistem de refrigerare cu absorbție de gaze care utilizează amoniac gazos dizolvat în apă (denumit „amoniac acvatic”) a fost dezvoltat de Ferdinand Carré din Franța în 1859 și brevetat în 1860. Carl von Linde , inginer specializat în locomotive cu aburi și profesor de inginerie la Universitatea tehnologică din Munchen , în Germania, a început cercetarea de refrigerare în anii 1860 și 1870, ca răspuns la cererea de la producătorii de bere pentru o tehnologie care ar permite pe tot parcursul anului, producția pe scară largă a Lager ; el a brevetat o metodă îmbunătățită de lichefiere a gazelor în 1876. Noul său proces a făcut posibilă utilizarea de gaze precum amoniac , dioxid de sulf (SO 2 ) și clorură de metil (CH 3 Cl) ca agenți frigorifici și au fost utilizate pe scară largă în acest scop până la sfârșitul anilor 1920 .

Thaddeus Lowe , un balonist american, deținea mai multe brevete pe mașinile de fabricat gheață. „Mașina de gheață cu compresie” va revoluționa industria de depozitare la rece. În 1869, alți investitori și el au cumpărat un vechi vapor pe care au încărcat una dintre unitățile de refrigerare Lowe și au început să livreze fructe proaspete din New York în zona Coastei Golfului și carne proaspătă din Galveston, Texas înapoi la New York, dar din cauza lipsei lui Lowe de cunoștințe despre transportul maritim, afacerea a fost un eșec costisitor.

Uz comercial

Un design de mașină frigider 1870. Trapa din acoperiș asigura accesul la tancuri pentru depozitarea gheții recoltate la fiecare capăt.
Brevet Icemaker de Andrew Muhl, datat 12 decembrie 1871.

În 1842 John Gorrie a creat un sistem capabil să refrigereze apa pentru a produce gheață. Deși a fost un eșec comercial, a inspirat oamenii de știință și inventatorii din întreaga lume. Francezul Ferdinand Carre a fost unul dintre cei inspirați și a creat un sistem de producere a gheții mai simplu și mai mic decât cel al Gorrie. În timpul războiului civil, orașe precum New Orleans nu mai puteau obține gheață din New England prin comerțul cu gheață de coastă. Sistemul de refrigerare Carre a devenit soluția la problemele cu gheața din New Orleans și până în 1865 orașul avea trei dintre mașinile Carre. În 1867, în San Antonio, Texas, un imigrant francez pe nume Andrew Muhl a construit o mașină de fabricat gheață pentru a ajuta la extinderea industriei cărnii de vită înainte de a o muta la Waco în 1871. În 1873, brevetul pentru această mașină a fost contractat de către Columbus Iron Works, o companie achiziționată de WC Bradley Co., care a continuat să producă primii producători comerciali de gheață din SUA.

În anii 1870, fabricile de bere deveniseră cei mai mari utilizatori de gheață recoltată. Deși industria recoltării de gheață crescuse imens până la începutul secolului al XX-lea, poluarea și canalizarea începuseră să se strecoare în gheață naturală, făcându-l o problemă în suburbiile metropolitane. În cele din urmă, fabricile de bere au început să se plângă de gheața contaminată. Preocuparea publică pentru puritatea apei, din care s-a format gheață, a început să crească la începutul anilor 1900 odată cu apariția teoriei germenilor. Numeroase medii au publicat articole care leagă boli precum febra tifoidă de consumul natural de gheață. Acest lucru a făcut ca recoltarea de gheață să devină ilegală în anumite zone ale țării. Toate aceste scenarii au crescut cerințele pentru refrigerare modernă și gheață fabricată. Mașinile producătoare de gheață, precum cele ale lui Carre și Muhl, au fost privite ca mijloace de producere a gheții pentru a satisface nevoile băcănilor, fermierilor și expeditorilor de alimente.

Vagoanele de cale ferată frigorifice au fost introduse în SUA în anii 1840 pentru transportul pe termen scurt al produselor lactate, dar acestea au folosit gheață recoltată pentru a menține o temperatură rece.

Dunedin , prima navă frigorifică cu succes comercial.

Noua tehnologie de refrigerare întâlnit pentru prima dată cu utilizarea pe scară largă industriale ca mijloc de a îngheța livrările de carne pentru transportul maritim în nave frigorifice de la British dominicanele și în alte țări la Insulele Britanice . Primul care a realizat această descoperire a fost un antreprenor care a emigrat în Noua Zeelandă . William Soltau Davidson a crezut că creșterea populației și cererea de carne din Marea Britanie ar putea atenua criza piețelor mondiale de lână care afectează puternic Noua Zeelandă. După cercetări aprofundate, el a comandat echipamentul Dunedin să fie echipat cu o unitate frigorifică de compresie pentru transportul cărnii în 1881. La 15 februarie 1882, Dunedin a navigat spre Londra cu ceea ce urma să fie prima călătorie de transport frigorific cu succes comercial și fundația industria cărnii refrigerate .

The Times a comentat „Astăzi trebuie să înregistrăm un astfel de triumf asupra dificultăților fizice, așa cum ar fi fost incredibil, chiar de neimaginat, acum câteva zile ...”. Marlborough Nava -sister la Dunedin -fost imediat convertit șiintrat în comerțulanul următor, împreună cu rivalul Noua Zeelandă Shipping Company nava Mataurua ,timp ce Steamer german Marsala a început transporta congelate Noua Zeelandă miel în decembrie 1882. În termencinci ani, 172 de transporturi de carne congelată au fost trimise din Noua Zeelandă în Regatul Unit, dintre care doar 9 au fost condamnate la cantități semnificative de carne. Transportul frigorific a dus, de asemenea, la un boom mai larg de carne și produse lactate în Australasia și America de Sud. J & E Hall din Dartford , Anglia a echipat „SS Selembria” cu un sistem de compresie a vaporilor pentru a aduce 30.000 de carcase de oaie din Insulele Falkland în 1886. În anii următori, industria s-a extins rapid în Australia, Argentina și Statele Unite.

În anii 1890, refrigerarea a jucat un rol vital în distribuția alimentelor. Industria ambalării cărnii s-a bazat în mare măsură pe gheața naturală în anii 1880 și a continuat să se bazeze pe gheața fabricată pe măsură ce aceste tehnologii au devenit disponibile. Până în 1900, casele de ambalare a cărnii din Chicago adoptaseră refrigerarea comercială cu ciclu de amoniac. Până în 1914, aproape toate locațiile foloseau refrigerarea artificială. Cele mai importante Packers din carne , armura, Swift, și Wilson, a cumpărat cele mai multe unități scumpe pe care le - au instalat pe vagoane de tren și în case ramură și instalații de depozitare în zonele mai îndepărtate de distribuție.

Până la mijlocul secolului al XX-lea, unitățile frigorifice au fost proiectate pentru a fi instalate pe camioane sau camioane. Vehiculele frigorifice sunt utilizate pentru transportul mărfurilor perisabile, cum ar fi alimentele congelate, fructele și legumele și substanțele chimice sensibile la temperatură. Majoritatea frigiderelor moderne păstrează temperatura între –40 și –20 ° C și au o sarcină utilă maximă de aproximativ 24.000 kg greutate brută (în Europa).

Deși frigiderul comercial a progresat rapid, avea limitări care îl împiedicau să se mute în gospodărie. În primul rând, majoritatea frigiderelor erau mult prea mari. Unele dintre unitățile comerciale utilizate în 1910 cântăreau între cinci și două sute de tone. În al doilea rând, frigiderele comerciale erau scumpe de produs, cumpărat și întreținut. În cele din urmă, aceste frigidere nu erau sigure. Nu a fost neobișnuit ca frigiderele comerciale să ia foc, să explodeze sau să scurgă gaze toxice. Refrigerarea nu a devenit o tehnologie de uz casnic până când aceste trei provocări nu au fost depășite.

Utilizarea casnică și a consumatorilor

Un exemplu timpuriu de consumare a refrigerării mecanice care a început la începutul secolului al XX-lea. Agentul frigorific era dioxid de sulf .
Un frigider modern de casă

La începutul anilor 1800, consumatorii și-au păstrat alimentele prin depozitarea alimentelor și a gheaței achiziționate de la recoltatoarele de gheață în ghivece. În 1803, Thomas Moore a brevetat o cadă de depozitare a untului căptușită cu metal, care a devenit prototipul pentru majoritatea lădițelor de gheață. Aceste lăzi de gheață au fost utilizate până aproape de 1910 și tehnologia nu a progresat. De fapt, consumatorii care au folosit cutia de gheață în 1910 s-au confruntat cu aceeași provocare ca o cutie de gheață mucegăită și împuțită pe care o aveau consumatorii la începutul anilor 1800.

General Electric (GE) a fost una dintre primele companii care a depășit aceste provocări. În 1911, GE a lansat o unitate frigorifică de uz casnic alimentată cu gaz. Utilizarea gazului a eliminat necesitatea unui motor electric cu compresor și a scăzut dimensiunea frigiderului. Cu toate acestea, companiile electrice care erau clienți ai GE nu au beneficiat de o unitate alimentată cu gaz. Astfel, GE a investit în dezvoltarea unui model electric. În 1927, GE a lansat Monitor Top, primul frigider care funcționează cu energie electrică.

În 1930, Frigidaire, unul dintre principalii concurenți ai GE, a sintetizat Freon . Odată cu invenția agenților frigorifici sintetici pe bază de substanță chimică clorofluorocarbonată (CFC), frigiderele mai sigure au fost posibile pentru uz casnic și pentru consumatori. Freonul a dus la dezvoltarea de frigidere mai mici, mai ușoare și mai ieftine. Prețul mediu al unui frigider a scăzut de la 275 dolari la 154 dolari odată cu sinteza lui Freon. Acest preț mai mic a permis ca proprietatea frigiderelor din gospodăriile americane să depășească 50%. Freonul este o marcă comercială a DuPont Corporation și se referă la aceste CFC-uri și ulterior hidroclorofluorocarbon (HCFC) și hidro-fluorocarbon (HFC), agenți frigorifici dezvoltați la sfârșitul anilor 1920. La acea vreme, acești agenți frigorifici erau considerați mai puțin dăunători decât agenții frigorifici folosiți în mod obișnuit, incluzând formiatul de metil, amoniacul, clorura de metil și dioxidul de sulf. Intenția a fost de a furniza echipamente frigorifice pentru uz casnic fără pericol. Acești agenți frigorifici CFC au răspuns acestei nevoi. În anii 1970, însă, s-a constatat că compușii reacționează cu ozonul atmosferic, o protecție importantă împotriva radiațiilor ultraviolete solare, iar utilizarea lor ca agent frigorific la nivel mondial a fost restrânsă în Protocolul de la Montreal din 1987.

Impactul asupra modelelor de decontare

În secolul trecut, refrigerarea a permis să apară noi modele de așezare. Această nouă tehnologie a permis stabilirea unor zone noi care nu se află pe un canal natural de transport, cum ar fi un râu, o potecă de vale sau un port care altfel nu ar fi fost așezate. Refrigerarea a oferit oportunităților primilor coloniști să se extindă spre vest și în zonele rurale nepopulate. Acești noi coloniști cu sol bogat și neexploatat au văzut oportunitatea de a profita prin trimiterea de bunuri brute în orașele și statele din est. În secolul al XX-lea, refrigerarea a făcut posibile „Orașele Galactice” precum Dallas, Phoenix și Los Angeles.

Vagoane frigorifice

Vagonul frigorific ( autoutilitară frigorifică sau vagon frigorific ), împreună cu rețeaua densă de căi ferate, au devenit o legătură extrem de importantă între piață și fermă, permițând mai degrabă o oportunitate națională decât una regională. Înainte de inventarea vagonului frigorific, era imposibil să expediați produse alimentare perisabile pe distanțe lungi. Industria de ambalare a cărnii de vită a făcut prima cerere pentru autoturisme frigorifice. Companiile feroviare au întârziat să adopte această nouă invenție, din cauza investițiilor lor grele în vagoane de vite, curți și parcuri de hrănire. Vagoanele frigorifice au fost, de asemenea, complexe și costisitoare în comparație cu alte vagoane feroviare, ceea ce a încetinit și adoptarea vagonului frigorific. După adoptarea lentă a mașinii frigorifice, industria de ambalare a cărnii de vită a dominat afacerea cu mașini feroviare frigorifice prin capacitatea lor de a controla plantele de gheață și stabilirea taxelor de înghețare. Departamentul pentru Agricultură al Statelor Unite a estimat că, în 1916, peste șaizeci și nouă la sută din bovinele ucise în țară se făceau în plante implicate în comerțul interstatal. Aceleași companii care au fost implicate și în comerțul cu carne au implementat ulterior transport frigorific pentru a include legume și fructe. Companiile de ambalare a cărnii dețineau o mare parte din utilajele scumpe, cum ar fi mașinile frigorifice și instalațiile de depozitare frigorifică, care le permiteau distribuirea eficientă a tuturor tipurilor de bunuri perisabile. În timpul primului război mondial, Administrația Statelor Unite a înființat o piscină frigorifică națională pentru a rezolva problema mașinilor în gol și a fost ulterior continuată după război. Problema mașinilor inactive a fost problema mașinilor frigorifice care stau fără rost între recoltele sezoniere. Acest lucru a însemnat că mașinile foarte scumpe au stat în curțile feroviare o bună parte a anului, fără a aduce venituri proprietarului mașinii. Piscina pentru mașini era un sistem în care mașinile erau distribuite în zone pe măsură ce culturile se maturizau, asigurând utilizarea maximă a mașinilor. Vagoanele frigorifice s-au deplasat spre est de la podgorii, livezi, câmpuri și grădini din statele vestice pentru a satisface piața consumatoare a Americii din est. Mașina frigorifică a făcut posibilă transportul culturilor perisabile cu sute și chiar mii de kilometri sau mile. Cel mai vizibil efect al mașinii a fost o specializare regională în legume și fructe. Vagonul frigorific a fost utilizat pe scară largă pentru transportul mărfurilor perisabile până în anii 1950. În anii 1960, sistemul de autostrăzi interstatale al națiunii era complet adecvat, permițând camioanelor să transporte majoritatea încărcăturilor de alimente perisabile și să împingă vechiul sistem al vagoanelor frigorifice.

Extinderea spre vest și în zonele rurale

Utilizarea pe scară largă a refrigerării a permis deschiderea în SUA a unui număr mare de noi oportunități agricole. Piețe noi au apărut în întreaga SUA în zone care anterior erau nelocuite și îndepărtate de zonele puternic populate. O nouă oportunitate agricolă s-a prezentat în zone considerate rurale, cum ar fi statele din sud și din vest. Expedițiile pe scară largă din sud și California au fost făcute ambele în același timp, deși gheața naturală a fost utilizată din Sierras în California, mai degrabă decât gheață fabricată în sud. Refrigerarea a permis ca multe zone să se specializeze în cultivarea anumitor fructe. California s-a specializat în mai multe fructe, struguri, piersici, pere, prune și mere, în timp ce Georgia a devenit faimoasă pentru piersicile sale. În California, acceptarea vagoanelor frigorifice duce la o creștere a încărcăturilor de la 4.500 de încărcături în 1895 la 8.000 și 10.000 de încărcături în 1905. Statele Golfului, Arkansas, Missouri și Tennessee au intrat în producția de căpșuni pe scară largă, în timp ce Mississippi a devenit centrul industriei tomatelor . New Mexico, Colorado, Arizona și Nevada au crescut cantalupuri. Fără refrigerare, acest lucru nu ar fi fost posibil. Până în 1917, zonele de fructe și legume bine stabilite, care erau aproape de piețele din est, au simțit presiunea concurenței din aceste centre specializate îndepărtate. Refrigerarea nu s-a limitat la carne, fructe și legume, ci cuprindea și produse lactate și ferme lactate. La începutul secolului al XX-lea, orașele mari au obținut aprovizionarea cu produse lactate de la ferme, până la 640 de kilometri (400 mi). Produsele lactate nu au fost transportate la fel de ușor distanțe mari, cum ar fi fructele și legumele, datorită perisabilității mai mari. Refrigerarea a făcut posibilă producția în vest, departe de piețele din est, atât de mult încât fermierii de lactate ar putea plăti costurile de transport și să-și vândă în continuare concurenții din est. Refrigerarea și șina frigorifică au oferit oportunitate zonelor cu sol bogat, departe de canalul natural de transport, cum ar fi un râu, o potecă de vale sau porturi.

Ridicarea orașului galactic

„Oraș de margine” a fost un termen inventat de Joel Garreau , în timp ce termenul „oraș galactic” a fost inventat de Lewis Mumford . Acești termeni se referă la o concentrare de afaceri, cumpărături și divertisment în afara unui centru tradițional sau a unui district central de afaceri din ceea ce anterior fusese o zonă rezidențială sau rurală. Au existat mai mulți factori care au contribuit la creșterea acestor orașe, cum ar fi Los Angeles, Las Vegas, Houston și Phoenix. Factorii care au contribuit la aceste orașe mari includ automobile fiabile, sisteme de autostrăzi, refrigerare și creșterea producției agricole. Orașele mari, precum cele menționate mai sus, nu au fost neobișnuite în istorie, dar ceea ce separă aceste orașe de restul este că aceste orașe nu se află de-a lungul unui canal natural de transport sau la o intersecție a două sau mai multe canale, cum ar fi o pistă, un port , munte, râu sau vale. Aceste orașe mari au fost dezvoltate în zone care acum doar câteva sute de ani ar fi fost nelocuibile. Fără un mod eficient din punct de vedere al costurilor de răcire a aerului și de transport al apei și alimente de la distanțe mari, aceste orașe mari nu s-ar fi dezvoltat niciodată. Creșterea rapidă a acestor orașe a fost influențată de refrigerare și o creștere a productivității agricole, permițând fermelor mai îndepărtate să hrănească efectiv populația.

Impactul asupra agriculturii și producției alimentare

Rolul agriculturii în țările dezvoltate s-a schimbat drastic în secolul trecut din cauza multor factori, inclusiv refrigerarea. Statisticile recensământului din 2007 oferă informații cu privire la concentrația mare de vânzări agricole provenite de la o mică parte din fermele existente în Statele Unite în prezent. Acesta este un rezultat parțial al pieței create pentru comerțul cu carne congelată prin primul transport cu succes de carcase de oaie congelate provenind din Noua Zeelandă în anii 1880. Pe măsură ce piața a continuat să crească, au început să fie aplicate reglementările privind procesarea și calitatea alimentelor. În cele din urmă, electricitatea a fost introdusă în casele rurale din Statele Unite, ceea ce a permis tehnologiei de refrigerare să se extindă în continuare în fermă, sporind producția pe persoană. Astăzi, utilizarea refrigerării la fermă reduce nivelul de umiditate, evită stricarea din cauza creșterii bacteriilor și ajută la conservare.

Demografie

Introducerea refrigerării și evoluția tehnologiilor suplimentare au schimbat drastic agricultura în Statele Unite. La începutul secolului al XX-lea, agricultura era o ocupație și un stil de viață obișnuit pentru cetățenii Statelor Unite, deoarece majoritatea fermierilor trăiau de fapt la ferma lor. În 1935, în Statele Unite existau 6,8 milioane de ferme și o populație de 127 de milioane. Cu toate acestea, în timp ce populația Statelor Unite a continuat să urce, cetățenii care urmăresc agricultura continuă să scadă. Pe baza recensământului SUA din 2007, mai puțin de 1 la sută dintr-o populație de 310 milioane de oameni pretinde că agricultura este o ocupație astăzi. Cu toate acestea, populația în creștere a condus la o cerere tot mai mare de produse agricole, care este satisfăcută printr-o mai mare varietate de culturi, îngrășăminte, pesticide și tehnologie îmbunătățită. Tehnologia îmbunătățită a scăzut riscul și timpul implicat în gestionarea agriculturii și permite fermelor mai mari să își crească producția pe persoană pentru a satisface cererea societății.

Ambalarea și comercializarea cărnii

Înainte de 1882, Insula de Sud a Noii Zeelande experimentase semănatul cu iarbă și încrucișarea oilor, ceea ce le-a oferit imediat fermierilor lor potențial economic în exportul de carne. În 1882, primul transport cu succes de carcase de oaie a fost trimis de la Port Chalmers din Dunedin , Noua Zeelandă, la Londra . În anii 1890, comerțul cu carne congelată a devenit din ce în ce mai profitabil în Noua Zeelandă, în special în Canterbury , de unde proveneau 50% din carcasele de oaie exportate în 1900. Nu a trecut mult timp până când carnea Canterbury a fost cunoscută pentru cea mai înaltă calitate, creând o cerere pentru carnea din Noua Zeelandă din întreaga lume. Pentru a satisface această nouă cerere, fermierii și-au îmbunătățit furajele, astfel încât oile să poată fi gata pentru sacrificare în doar șapte luni. Această nouă metodă de transport maritim a dus la un boom economic în Noua Zeelandă la mijlocul anilor 1890.

În Statele Unite, Legea privind inspecția cărnii din 1891 a fost pusă în aplicare în Statele Unite, deoarece măcelarii locali au considerat că sistemul frigorific de vagoane nu este sănătos. Când ambalarea cărnii a început să decoleze, consumatorii au devenit nervoși cu privire la calitatea cărnii pentru consum. Romanul The Jungle al lui Upton Sinclair din 1906 a adus o atenție negativă industriei de ambalare a cărnii, prin atragerea la lumină a condițiilor de muncă nesanitare și prelucrarea animalelor bolnave. Cartea a atras atenția președintelui Theodore Roosevelt , iar Legea privind inspecția cărnii din 1906 a fost pusă în aplicare ca amendament la Legea privind inspecția cărnii din 1891. Acest nou act s-a axat pe calitatea cărnii și a mediului în care este prelucrată.

Electricitate în zonele rurale

La începutul anilor 1930, 90% din populația urbană a Statelor Unite avea energie electrică , în comparație cu doar 10% din casele rurale. La acea vreme, companiile de energie electrică nu aveau impresia că extinderea puterii la zonele rurale ( electrificarea rurală ) ar produce suficiente profituri pentru a-și face în valoare. Cu toate acestea, în mijlocul Marii Depresiuni , președintele Franklin D. Roosevelt și-a dat seama că zonele rurale vor continua să rămână în urma zonelor urbane atât în ​​sărăcie, cât și în producție, dacă nu ar fi cablate electric. La 11 mai 1935, președintele a semnat un ordin executiv numit Administrația de Electrificare Rurală, cunoscută și sub numele de REA. Agenția a acordat împrumuturi pentru finanțarea infrastructurii electrice din zonele rurale. În doar câțiva ani, 300.000 de oameni din zonele rurale ale Statelor Unite au primit putere în casele lor.

În timp ce electricitatea a îmbunătățit dramatic condițiile de muncă în ferme, a avut, de asemenea, un impact mare asupra siguranței producției de alimente. Sistemele de refrigerare au fost introduse în procesele agricole și de distribuție a alimentelor , care au ajutat la conservarea alimentelor și au menținut în siguranță aprovizionarea cu alimente . Refrigerarea a permis, de asemenea, producția de mărfuri perisabile, care ar putea fi apoi expediate în toate Statele Unite. Drept urmare, fermierii din Statele Unite au devenit rapid cei mai productivi din lume și au apărut noi sisteme alimentare .

Utilizarea fermei

Pentru a reduce nivelurile de umiditate și deteriorarea cauzate de creșterea bacteriană, refrigerarea este folosită astăzi pentru procesarea cărnii, a produselor și a produselor lactate în agricultură. Sistemele de refrigerare sunt utilizate cel mai greu în lunile mai calde pentru produsele agricole, care trebuie răcite cât mai curând posibil pentru a îndeplini standardele de calitate și a crește durata de valabilitate. Între timp, fermele de lactate refrigerează laptele pe tot parcursul anului pentru a evita stricarea.

Efecte asupra stilului de viață și a dietei

La sfârșitul secolului al XIX-lea și până la începutul secolului al XX-lea, cu excepția alimentelor de bază (zahăr, orez și fasole) care nu aveau nevoie de refrigerare, alimentele disponibile au fost puternic afectate de anotimpuri și de ceea ce ar putea fi cultivat local. Refrigerarea a eliminat aceste limitări. Refrigerarea a jucat un rol important în fezabilitatea și apoi popularitatea supermarketului modern. Fructele și legumele în afara sezonului sau cultivate în locații îndepărtate sunt acum disponibile la prețuri relativ mici. Frigiderele au dus la o creștere uriașă a cărnii și a produselor lactate ca o parte din vânzările globale la supermarketuri. Pe lângă schimbarea bunurilor cumpărate de pe piață, capacitatea de a stoca aceste alimente pentru perioade lungi de timp a dus la o creștere a timpului liber. Înainte de apariția frigiderului de uz casnic, oamenii ar trebui să cumpere zilnic pentru consumabilele necesare pentru mesele lor.

Impactul asupra nutriției

Introducerea refrigerării a permis manipularea igienică și depozitarea perisabilelor și, ca atare, a promovat creșterea producției, consumul și disponibilitatea nutriției. Schimbarea metodei noastre de conservare a alimentelor ne-a îndepărtat de săruri la un nivel de sodiu mai ușor de gestionat. Capacitatea de a muta și depozita perisabile, cum ar fi carnea și produsele lactate, a dus la o creștere de 1,7% a consumului de lactate și a aportului total de proteine ​​cu 1,25% anual în SUA după anii 1890.

Oamenii consumau nu numai aceste perisabile, deoarece le-a fost mai ușor să le depoziteze, ci și pentru că inovațiile în transportul și depozitarea frigorifice au condus la mai puține deteriorări și deșeuri, reducând astfel prețurile acestor produse. Refrigerarea reprezintă cel puțin 5,1% din creșterea staturii adulților (în SUA) printr-o nutriție îmbunătățită, iar atunci când efectele indirecte asociate cu îmbunătățirea calității nutrienților și reducerea bolii sunt luate în considerare, impactul general devine considerabil mai mare. Studii recente au arătat, de asemenea, o relație negativă între numărul frigiderelor dintr-o gospodărie și rata mortalității prin cancer gastric.

Aplicațiile actuale ale refrigerării

Probabil cele mai utilizate aplicații actuale de refrigerare sunt pentru aerul condiționat de case private și clădiri publice și pentru refrigerarea produselor alimentare în case, restaurante și depozite mari. Utilizarea frigiderelor și a frigiderelor și congelatoarelor din bucătării, fabrici și depozite pentru depozitarea și prelucrarea fructelor și legumelor a permis adăugarea de salate proaspete în dieta modernă pe tot parcursul anului și depozitarea peștelui și a cărnii în condiții de siguranță pentru perioade lungi de timp. Gama optimă de temperatură pentru depozitarea alimentelor perisabile este de la 3 la 5 ° C (37 la 41 ° F).

În comerț și producție, există multe utilizări pentru refrigerare. Refrigerarea este utilizată pentru lichefierea gazelor - de exemplu , oxigen , azot , propan și metan . În purificarea aerului comprimat, este utilizat pentru condensarea vaporilor de apă din aerul comprimat pentru a reduce conținutul de umiditate al acestuia. În rafinării de petrol , uzine chimice si petrochimice plante, refrigerare este utilizată pentru a menține anumite procese la temperaturi lor scăzute necesare (de exemplu, în alchilarea de butenele și butan pentru a produce o înaltă cifră octanică componentă benzină). Muncitorii din metal folosesc refrigerarea pentru temperarea oțelului și tacâmurilor. Atunci când transportați produse alimentare sensibile la temperatură și alte materiale cu camioane, trenuri, avioane și nave maritime, refrigerarea este o necesitate.

Produsele lactate au nevoie în mod constant de refrigerare și s-a descoperit doar în ultimele decenii că ouăle trebuiau refrigerate în timpul transportului, decât să aștepte să fie refrigerate după sosirea la magazinul alimentar. Carnea, păsările de curte și peștele trebuie păstrate în condiții climatice înainte de a fi vândute. De asemenea, refrigerarea ajută la menținerea alimentelor mai lungi a fructelor și legumelor.

Una dintre cele mai influente utilizări ale refrigerării a fost în dezvoltarea industriei sushi / sashimi din Japonia. Înainte de descoperirea refrigerării, mulți cunoscători de sushi erau expuși riscului de a contracta boli. Pericolele sashimiilor fără frigider nu au fost scoase la lumină timp de decenii din cauza lipsei cercetării și distribuției asistenței medicale în Japonia rurală. În jurul mijlocului secolului, corporația Zojirushi , cu sediul în Kyoto, a făcut progrese în proiectele de frigidere, făcând frigiderele mai ieftine și mai accesibile pentru proprietarii de restaurante și publicul larg.

Metode de refrigerare

Metodele de refrigerare pot fi clasificate ca neciclice , ciclice , termoelectrice și magnetice .

Refrigerare neciclică

Această metodă de refrigerare răcește o zonă conținută prin topirea gheții sau prin sublimarea gheții uscate . Poate cel mai simplu exemplu în acest sens este un răcitor portabil, în care sunt puse articole în el, apoi se toarnă gheață deasupra. Gheața obișnuită poate menține temperaturile aproape, dar nu sub punctul de îngheț, cu excepția cazului în care sarea este folosită pentru a răci gheața în continuare (ca la un aparat de înghețată tradițional ). Gheața uscată poate aduce în mod fiabil temperatura cu mult sub punctul de îngheț al apei.

Refrigerare ciclică

Acesta constă într-un ciclu de refrigerare, în care căldura este îndepărtată dintr-un spațiu sau sursă cu temperatură scăzută și respinsă într-o chiuvetă cu temperatură ridicată cu ajutorul unei lucrări externe și inversul său, ciclul de putere termodinamic . În ciclul de alimentare, căldura este furnizată de la o sursă de temperatură înaltă către motor, o parte din căldură fiind utilizată pentru a produce muncă, iar restul fiind respinsă într-o chiuvetă cu temperatură scăzută. Aceasta satisface a doua lege a termodinamicii .

Un ciclu de refrigerare descrie schimbările care au loc în agentul frigorific, deoarece acesta absoarbe și respinge alternativ căldura în timp ce circulă prin frigider . De asemenea, se aplică încălzirii, ventilației și climatizării lucrărilor HVACR , atunci când se descrie „procesul” de curgere a agentului frigorific printr-o unitate HVACR, indiferent dacă este un sistem ambalat sau divizat.

Căldura curge în mod natural de la cald la rece. Munca se aplică pentru răcirea unui spațiu de locuit sau a volumului de depozitare prin pomparea căldurii dintr-o sursă de căldură cu temperatură mai mică într-un radiator de temperatură mai mare. Izolația este utilizată pentru a reduce munca și energia necesare pentru a obține și a menține o temperatură mai mică în spațiul răcit. Principiul de funcționare al ciclului de refrigerare a fost descris matematic de Sadi Carnot în 1824 ca un motor termic .

Cele mai frecvente tipuri de sisteme de refrigerare utilizează ciclul de refrigerare cu compresie de vapori inversă Rankine , deși pompele de căldură de absorbție sunt utilizate într-o minoritate de aplicații.

Refrigerarea ciclică poate fi clasificată ca:

  1. Ciclul vaporilor și
  2. Ciclul gazului

Refrigerarea ciclului de vapori poate fi clasificată în continuare ca:

  1. Refrigerare prin compresie de vapori
  2. Refrigerare prin absorbție
    1. Refrigerare cu absorbție de vapori
    2. Refrigerare prin adsorbție

Ciclul de compresie a vaporilor

Figura 1: Refrigerare prin compresie de vapori
Figura 2: Diagrama temperaturii-entropie

Ciclul de compresie a vaporilor este utilizat în majoritatea frigiderelor de uz casnic, precum și în multe sisteme mari de refrigerare comercială și industrială . Figura 1 oferă o diagramă schematică a componentelor unui sistem tipic de refrigerare cu compresie de vapori.

De Termodinamica ciclului pot fi analizate pe o diagramă așa cum se arată în figura 2. în acest ciclu, un agent de răcire care circulă , cum ar fi Freon intră în compresor sub formă de vapori. De la punctul 1 la punctul 2, vaporii sunt comprimați la entropie constantă și ies din compresor sub formă de vapori la o temperatură mai mare, dar totuși sub presiunea vaporilor la temperatura respectivă. De la punctul 2 la punctul 3 și până la punctul 4, vaporii se deplasează prin condensator care răcește vaporii până când începe să se condenseze, apoi condensează vaporii într-un lichid prin îndepărtarea căldurii suplimentare la presiune și temperatură constante. Între punctele 4 și 5, agentul frigorific lichid trece prin supapa de expansiune (numită și supapă de accelerație), unde presiunea acestuia scade brusc, provocând evaporarea rapidă și auto-refrigerare, de obicei, mai puțin de jumătate din lichid.

Acest lucru are ca rezultat un amestec de lichid și vapori la o temperatură și presiune mai mici, așa cum se arată la punctul 5. Amestecul rece lichid-vapori se deplasează apoi prin bobina sau tuburile evaporatorului și este complet vaporizat prin răcirea aerului cald (din spațiul refrigerat ) fiind suflat de un ventilator peste bobina sau tuburile evaporatorului. Vaporii de agent frigorific rezultat revin la intrarea compresorului la punctul 1 pentru a finaliza ciclul termodinamic.

Discuția de mai sus se bazează pe ciclul ideal de refrigerare prin comprimare a vaporilor și nu ia în considerare efectele din lumea reală, cum ar fi scăderea de presiune prin frecare în sistem, ușoară ireversibilitate termodinamică în timpul comprimării vaporilor de agent frigorific sau comportamentul gazului non-ideal , dacă există. Frigiderele cu compresie de vapori pot fi aranjate în două etape în sistemele de refrigerare în cascadă , cu a doua etapă răcind condensatorul din prima etapă. Aceasta poate fi utilizată pentru atingerea temperaturilor foarte scăzute.

Mai multe informații despre proiectarea și performanța sistemelor de refrigerare cu compresie de vapori sunt disponibile în manualul clasic al inginerilor chimici Perry .

Ciclul de absorbție

Ciclul de absorbție

În primii ani ai secolului al XX-lea, ciclul de absorbție a vaporilor utilizând sisteme de apă-amoniac sau LiBr- apă a fost popular și utilizat pe scară largă. După dezvoltarea ciclului de compresie a vaporilor, ciclul de absorbție a vaporilor și-a pierdut o mare parte din importanță datorită coeficientului său scăzut de performanță (aproximativ o cincime din cel al ciclului de compresie a vaporilor). Astăzi, ciclul de absorbție a vaporilor este utilizat în principal acolo unde este disponibil combustibil pentru încălzire, dar electricitatea nu, cum ar fi vehiculele de agrement care transportă gaz LP . Este, de asemenea, utilizat în medii industriale în care căldura reziduală abundentă depășește ineficiența sa.

Ciclul de absorbție este similar ciclului de compresie, cu excepția metodei de creștere a presiunii vaporilor de agent frigorific. În sistemul de absorbție, compresorul este înlocuit de un absorbant care dizolvă agentul frigorific într-un lichid adecvat, o pompă de lichid care crește presiunea și un generator care, la adăugarea căldurii, elimină vaporii de agent frigorific din lichidul de înaltă presiune. Unele lucrări sunt necesare pentru pompa de lichid, dar, pentru o anumită cantitate de agent frigorific, este mult mai mică decât este necesară compresorului în ciclul de compresie a vaporilor. Într-un frigider cu absorbție, se utilizează o combinație adecvată de agent frigorific și absorbant. Cele mai frecvente combinații sunt amoniacul (agent frigorific) cu apă (absorbant) și apa (agent frigorific) cu bromură de litiu (absorbant).

Ciclul de adsorbție

Principala diferență cu ciclul de absorbție este că în ciclul de adsorbție, agentul frigorific (adsorbat) ar putea fi amoniac, apă, metanol etc., în timp ce adsorbantul este un solid, cum ar fi gel de silicon , cărbune activ sau zeolit , spre deosebire de ciclu de absorbție în care absorbantul este lichid.

Motivul pentru care tehnologia frigorifică prin adsorbție a fost cercetată pe larg în ultimii 30 de ani constă în faptul că funcționarea unui sistem frigorific de adsorbție este adesea fără zgomot, necoroziv și ecologic.

Ciclul gazului

Când fluidul de lucru este un gaz care este comprimat și expandat, dar nu schimbă faza, ciclul de refrigerare se numește ciclu de gaz . Aerul este cel mai adesea acest fluid de lucru. Deoarece nu există condens și evaporare intenționate într-un ciclu de gaze, componentele corespunzătoare condensatorului și evaporatorului într-un ciclu de compresie a vaporilor sunt schimbătoarele de căldură gaz-gaz cald și rece în cicluri de gaz. De exemplu, un radiator cu gaz răcit cu aer răcește gazul de refrigerare cu CO2 folosind aerul dintr-un sistem închis.

Ciclul gazelor este mai puțin eficient decât ciclul de compresie a vaporilor, deoarece ciclul gazului funcționează pe ciclul Brayton invers în locul ciclului Rankine invers . Ca atare, fluidul de lucru nu primește și respinge căldura la temperatură constantă. În ciclul gazului, efectul de refrigerare este egal cu produsul căldurii specifice a gazului și creșterea temperaturii gazului în partea cu temperatură scăzută. Prin urmare, pentru aceeași sarcină de răcire, un ciclu de refrigerare cu gaz are nevoie de un debit de masă mare și este voluminos.

Datorită eficienței lor mai mici și a volumului mai mare, răcitoarele pentru ciclul de aer nu sunt adesea utilizate în zilele noastre în dispozitivele de răcire terestre. Cu toate acestea, masina de ciclu de aer este foarte frecvente la turbina cu gaz cu jet -Powered aeronavei ca de răcire și ventilație unități, deoarece aerul comprimat este ușor disponibile din secțiunile de compresor a motoarelor. Astfel de unități servesc și la presurizarea aeronavei.

Refrigerare termoelectrică

Răcirea termoelectrică folosește efectul Peltier pentru a crea un flux de căldură între joncțiunea a două tipuri de material. Acest efect este utilizat în mod obișnuit în răcitoarele de camping și portabile și pentru răcirea componentelor electronice și a instrumentelor mici. Răcitoarele Peltier sunt adesea utilizate în cazul în care un frigider tradițional cu ciclu de compresie a vaporilor ar fi impracticabil sau ar ocupa prea mult spațiu, iar în senzorii de imagine răciti ca un mod ușor, compact și ușor, dacă este ineficient, de a atinge temperaturi foarte scăzute, folosind 2 sau mai multe răcitoare cu peltier de aranjament dispuse într-o configurație de refrigerare în cascadă , ceea ce înseamnă că 2 sau mai multe elemente de peltier sunt stivuite unul peste altul, fiecare etapă fiind mai mare decât cea dinaintea sa, pentru a extrage mai multă căldură și a căldurii reziduale generate de etapele anterioare . Răcirea Peltier are un COP (eficiență) scăzut în comparație cu cea a ciclului de compresie a vaporilor, astfel încât emite mai multă căldură reziduală (căldură generată de elementul peltier sau mecanismul de răcire) și consumă mai multă energie pentru o anumită capacitate de răcire.

Refrigerare magnetică

Refrigerarea magnetică sau demagnetizarea adiabatică este o tehnologie de răcire bazată pe efectul magnetocaloric, o proprietate intrinsecă a solidelor magnetice. Agentul frigorific este adesea o sare paramagnetică , cum ar fi azotatul de magneziu de ceriu . Dipolii magnetici activi în acest caz sunt cei ai cochiliilor de electroni ai atomilor paramagnetici.

Un câmp magnetic puternic este aplicat agentului frigorific, forțând diferiții dipoli magnetici să se alinieze și punând aceste grade de libertate ale agentului frigorific într-o stare de entropie coborâtă . Un radiator absoarbe apoi căldura eliberată de agentul frigorific datorită pierderii sale de entropie. Contactul termic cu radiatorul este apoi rupt, astfel încât sistemul să fie izolat, iar câmpul magnetic să fie oprit. Acest lucru mărește capacitatea de căldură a agentului frigorific, scăzând astfel temperatura acestuia sub temperatura radiatorului.

Deoarece puține materiale prezintă proprietățile necesare la temperatura camerei, aplicațiile s-au limitat până acum la criogenie și cercetare.

Alte metode

Alte metode de refrigerare includ mașina pentru ciclul aerului utilizată în aeronave; tubul vortex utilizat pentru răcirea la fața locului, atunci când aerul comprimat este disponibil; și refrigerare termoacustică folosind unde sonore într-un gaz sub presiune pentru a conduce transferul de căldură și schimbul de căldură; răcirea cu jet de abur populară la începutul anilor 1930 pentru aerul condiționat al clădirilor mari; răcire termoelastică utilizând un aliaj metalic inteligent care se întinde și relaxează. Multe motoare termice cu ciclu Stirling pot fi rulate înapoi pentru a acționa ca un frigider și, prin urmare, aceste motoare au o utilizare de nișă în criogenie . În plus , există și alte tipuri de Sisteme de răcire criogenice , cum ar fi coolere Gifford-McMahon, răcitoare Joule- Thomson, frigidere puls-tub și, pentru temperaturi cuprinse între 2 și 500 mK mK, frigidere de diluare .

Refrigerare elastocalorică

O altă tehnică potențială de refrigerare în stare solidă și o zonă de studiu relativ nouă provine dintr-o proprietate specială a materialelor super elastice . Aceste materiale sunt supuse unei schimbări de temperatură , atunci când se confruntă cu un mecanic aplicat stres (numit efectul elastocaloric). Deoarece materialele super elastice se deformează reversibil la tulpini mari , materialul se confruntă cu o regiune elastică aplatizată în curba sa tensiune-deformare cauzată de o transformare a fazei rezultată dintr-o fază cristalină austenitică în martensitică .

Atunci când un material super elastic experimentează un stres în faza austenitică, acesta suferă o transformare a fazei exoterme în faza martensitică, ceea ce face ca materialul să se încălzească. Eliminarea stresului inversează procesul, restabilește materialul la faza austenitică și absoarbe căldura din împrejurimi răcind materialul.

Cea mai atrăgătoare parte a acestei cercetări este cât de eficientă din punct de vedere energetic și ecologică este această tehnologie de răcire. Diferitele materiale utilizate, în mod obișnuit , aliaje cu memorie de formă , oferă o sursă netoxică de refrigerare fără emisii. Cele mai frecvent studiate materiale sunt aliajele cu memorie de formă, cum ar fi nitinolul și Cu-Zn-Al. Nitinol este aliajelor mai promițătoare cu căldură de ieșire la aproximativ 66 J / cm 3 și o modificare a temperaturii de aproximativ 16-20 K. Datorită dificultății de fabricare unele din aliaje cu memoria formei, materiale alternative , cum ar fi cauciucul natural au fost studiate. Chiar dacă cauciucul poate să nu emită la fel de multă căldură pe volum (12 J / cm 3 ) ca aliajele cu memorie de formă, totuși generează o schimbare comparabilă de temperatură de aproximativ 12 K și funcționează la un interval de temperatură adecvat, solicitări reduse și costuri reduse .

Principala provocare vine însă din pierderile potențiale de energie sub formă de histerezis , adesea asociate cu acest proces. Deoarece majoritatea acestor pierderi provin din incompatibilități între cele două faze, este necesară o reglare adecvată a aliajului pentru a reduce pierderile și a crește reversibilitatea și eficiența . Echilibrarea tensiunii de transformare a materialului cu pierderile de energie permite să se producă un efect elastocaloric mare și potențial o nouă alternativă pentru refrigerare.

Poarta frigiderului

Metoda Fridge Gate este o aplicație teoretică a utilizării unei singure porți logice pentru a conduce un frigider în cel mai eficient mod energetic posibil, fără a încălca legile termodinamicii. Funcționează pe baza faptului că există două stări de energie în care poate exista o particulă: starea fundamentală și starea excitată. Starea excitată transportă puțin mai multă energie decât starea fundamentală, suficient de mică încât tranziția să aibă loc cu probabilitate mare. Există trei componente sau tipuri de particule asociate cu poarta frigiderului. Primul este în interiorul frigiderului, al doilea în exterior și al treilea este conectat la o sursă de alimentare care se încălzește din când în când încât poate ajunge la starea E și poate alimenta sursa. În etapa de răcire din interiorul frigiderului, particula de stare g absoarbe energia din particulele ambientale, răcindu-le și ea însăși sări în starea e. În cea de-a doua etapă, în exteriorul frigiderului, unde particulele sunt și ele într-o stare e, particula cade în starea g, eliberând energie și încălzind particulele exterioare. În cel de-al treilea și ultimul pas, alimentarea cu energie mută o particulă în starea e și, când cade în starea g, induce un swap neutru din punct de vedere energetic, unde particula e interioară este înlocuită de o nouă particulă g, repornind ciclul.

Sisteme pasive

Cercetătorii MIT au conceput un nou mod de a asigura răcirea într-o zi fierbinte și însorită, folosind materiale ieftine și fără a necesita energie generată de combustibili fosili. Sistemul pasiv, care ar putea fi utilizat pentru a suplimenta alte sisteme de răcire pentru a conserva alimentele și medicamentele în locații fierbinți, în afara rețelei, este în esență o versiune de înaltă tehnologie a unei umbrele de soare.

Evaluarea capacității

Capacitatea de refrigerare a unui sistem de refrigerare este produsul de vaporizatoareentalpie creștere și vaporizatoare“ debitul masic . Capacitatea măsurată de refrigerare este adesea dimensionată în unitatea de kW sau BTU / h. Frigiderele domestice și comerciale pot fi evaluate în kJ / s sau Btu / h de răcire. Pentru sistemele de refrigerare comerciale și industriale, kilowatul (kW) este unitatea de bază a refrigerării, cu excepția Americii de Nord, unde se utilizează atât tonă de refrigerare, cât și BTU / h.

Coeficientul de performanță (CoP) al unui sistem frigorific este foarte important în determinarea eficienței generale a unui sistem. Este definit ca o capacitate frigorifică în kW împărțită la puterea de energie în kW. Deși CoP este o măsură foarte simplă a performanței, de obicei nu este utilizată pentru refrigerarea industrială în America de Nord. Proprietarii și producătorii acestor sisteme utilizează de obicei factorul de performanță (PF). PF-ul unui sistem este definit ca aportul de energie al unui sistem în cai putere împărțit la capacitatea sa de refrigerare în TR. Atât CoP, cât și PF pot fi aplicate fie întregului sistem, fie componentelor sistemului. De exemplu, un compresor individual poate fi evaluat comparând energia necesară pentru funcționarea compresorului cu capacitatea de refrigerare așteptată pe baza debitului volumului de intrare. Este important să rețineți că atât CoP, cât și PF pentru un sistem de refrigerare sunt definite numai în condiții specifice de funcționare, inclusiv temperaturi și sarcini termice. Îndepărtarea de condițiile de operare specificate poate schimba dramatic performanța unui sistem.

Sistemele de aer condiționat utilizate în aplicații rezidențiale utilizează de obicei SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) pentru evaluarea performanței energetice. Sistemele de aer condiționat pentru aplicații comerciale folosesc adesea EER ( Energy Efficiency Ratio ) și IEER (Integrated Energy Efficiency Ratio) pentru evaluarea performanței energetice.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

  • Volumul de refrigerare , Manualul ASHRAE, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA
  • Stoecker și Jones, Refrigerare și aer condiționat , Tata-McGraw Hill Publishers
  • Mathur, ML, Mehta, FS, Inginerie termică Vol II
  • Enciclopedia MSN Encarta
  • Andrew D. Althouse; Carl H. Turnquist; Alfred F. Bracciano (2003). Refrigerare modernă și aer condiționat (ediția a XVIII-a). Editura Goodheart-Wilcox. ISBN 978-1-59070-280-2.
  • Anderson, Oscar Edward (1972). Refrigerarea în America: o istorie a unei noi tehnologii și impactul acesteia . Kennikat Press. p. 344. ISBN 978-0-8046-1621-8.
  • Shachtman, Tom (2000). Zero absolut: și cucerirea frigului . Cărți Mariner. p. 272. ISBN 978-0-618-08239-1.
  • Woolrich, Willis Raymond (1967). Bărbații care au creat frigul: o istorie a refrigerării (prima ediție). Exposition Press. p. 212.

linkuri externe