Способы охлаждения

 
 
 

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования  

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  

(национальный исследовательский университет)» 

А.А. Жаров, В.А. Воронов, А.Ю. Юршин 

Способы охлаждения 

Учебно-методическое пособие 

 

 

 

 

 

 

УДК 621.5 
ББК 31.392 
        Ж34 
 

Издание доступно в электронном виде по адресу 

https://bmstu.press/en/catalog/item/6398/ 

 

Факультет «Энергомашиностроение»  

Кафедра «Холодильная, криогенная техника,  

системы кондиционирования и жизнеобеспечения» 

 

Рекомендовано  

Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана 

в качестве учебно-методического пособия 

 
 
 
 

Жаров, А. А.  
 
Способы охлаждения : учебно-методическое пособие / А. А. Жа- 

ров, В. А. Воронов, А. Ю. Юршин.  — Москва : Издательство 
МГТУ  им. Н. Э. Баумана, 2019. — 4 , [3] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-5211-8 

 

Рассмотрены принципы охлаждения в различных холодильных си-

стемах. Приведено описание лабораторного стенда. Изложена методика 
проведения испытаний и обработки экспериментальных данных.  

Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специ-

альности 05.04.03 «Машины и аппараты, процессы холодной и криогенной 
техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения».  

  

 
УДК 621.5 

 
ББК 31.392 
  
 
           

 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 
 Оформление. Издательство  

ISBN 978-5-7038-5211-8                                             МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

Ж34 

1

Предисловие 

Учебно-методическое пособие соответствует программе обу-

чения по специальности 05.04.03 «Машины и аппараты, процессы 
холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования 
и жизнеобеспечения» и содержит лабораторную работу «Способы 
охлаждения». Ее выполняют студенты кафедры «Холодильная, 
криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения»:  

 
третьего курса бакалавриата в рамках изучения дисципли-

ны «Научные основы криологии», проходящие обучение по 
направлению 16.03.03 «Холодильная, криогенная техника и системы 
жизнеобеспечения»; 

 четвертого курса бакалавриата в рамках изучения дисци-

плины «Теоретические основы холодильной техники», проходящие 
обучение по направлению 16.03.03 «Холодильная, криогенная 
техника и системы жизнеобеспечения»;  

 четвертого курса специалитета в рамках изучения дисци-

плины «Циклы криогенных систем», проходящие обучение по 
направлению 16.05.01 «Криогенная техника и специальные системы 
жизнеобеспечения»; 

 пятого курса специалитета в рамках изучения дисциплины 

«Холодильная техника», проходящие обучение по направлению 
16.05.01 «Криогенная техника и специальные системы жизнеобеспечения»; 

 
первого курса магистратуры в рамках изучения дисципли-

ны «Регулирование систем жизнеобеспечения», проходящие обучение 
по направлению 16.04.03 «Холодильная, криогенная техника 
и системы жизнеобеспечения»; 

 второго курса магистратуры в рамках изучения дисциплины 

«Приборы и техника эксперимента систем жизнеобеспечения», 

проходящие обучение по направлению 16.04.03 «Холодильная, 
криогенная техника и системы жизнеобеспечения». 

Цель лабораторной работы — теоретическое и эксперимен-

тальное ознакомление со способами охлаждения, применяемыми 
при кондиционировании воздуха, в холодильной и криогенной 
технике. 

Задачи лабораторной работы: 
1) ознакомиться с правилами подготовки и проведения ин-

женерных и научно-исследовательских испытаний; 

2) изучить теоретические основы четырех предложенных 

способов охлаждения: воздушным детандером, вихревой трубой, 
парокомпрессионной холодильной машиной и модулем термоэлектрического 
охлаждения; 

3) провести испытания по четырем способам охлаждения; 
4) обработать полученные экспериментальные данные; 
5) защитить полученные результаты. 
В результате выполнения лабораторной работы студенты 

овладеют начальными навыками подготовки и проведения инженерных 
и научно-исследовательских испытаний, приобретут экспериментальный 
опыт в осуществлении основных способов 
охлаждения, применяемых при кондиционировании воздуха, в 
холодильной и криогенной технике. 

В теоретической части данного учебно-методического посо-

бия рассмотрены четыре способа охлаждения, применяемые в 
различных отраслях холодильной техники, с использованием детандера, 
вихревой трубы, парокомпрессионной холодильной машины 
и термоэлектрических элементов Пельтье. 

В практической части описан лабораторный стенд, приве-

дены экспериментальные задания. Пособие завершают контрольные 
вопросы, правила техники безопасности при выполнении 
лабораторной работы, список литературы и приложение. 


В приложении даны образцы таблиц и рисунков из Журнала 

лабораторной работы, который будет дополнительно выдан преподавателем 
во время проведения лабораторной работы. Журнал 

лабораторной работы должны заполнить и подписать все выполняющие 
данную лабораторную работу. 

Перед выполнением лабораторной работы учащиеся должны 

пройти инструктаж по правилам техники безопасности у учебного 
мастера или преподавателя и расписаться о прохождении данного 
инструктажа в Журнале выполнения лабораторных работ 
кафедры за текущий календарный период. 

 
    
 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

Принцип действия детандера 

Принцип действия детандера основан на расширении рабоче-

го газа с производством внешней работы. Рабочий газ, в данном 
случае воздух, охлаждается, совершая механическую работу. При 
расширении (понижении давления) газа в детандере полезно используется 
прежде всего эффект охлаждения газа. Детандер можно 
рассматривать и как пневмодвигатель — двигатель с пневмо-
приводом, который, например, приводит в движение электрогенератор.  


В лабораторной работе будет изучаться пластинчатый ротор-

ный детандер, принципиальная схема которого приведена на рис. 1,  
а конструктивная схема — на рис. 2. 
 

Рис. 1. Принципиальная схема 

пластинчатого роторного  

детандера: 

1 — электрогенератор; 2 — детандер (
пневмодвигатель); 3 — 
вход воздуха в детандер; 4 – вы-

ход охлажденного воздуха из 

детандера

 

Пластинчатый роторный детандер (далее — детандер) пред-

ставляет собой расширительную установку объемного (вытеснительного) 
принципа действия, в котором расширение газа происходит 
в процессе вращения ротора 1 (см. рис. 2) с эксцентриситетом 
в статоре 4 внутри корпуса 3 при увеличении объема 
замкнутой рабочей полости, образованной статором 4, ротором 1 
и пластинами 2. Сжатый газ поступает в замкнутое пространство 
по каналу А в корпусе, перемещается в этом замкнутом пространстве 
пластинами 2, причем по мере поворота ротора 1 при 

увеличении объема рабочей полости газ расширяется и охлаждается, 
выходя из детандера через канал Б. Мощность, передаваемая 
при этом на вал детандера через пластины 2, снимается в 
данной установке электрогенератором.   

При неработающем электрогенераторе охлаждение в детан-

дере осуществляется за счет того, что мощность, передаваемая от 
газа к валу, расходуется на преодоление сил трения в механизмах 
агрегата (детандера-электрогенератора). 

 

 

С ростом расхода воздуха, т. е. с ростом перепада давления 

на детандере, от минимума, позволяющего механизму детандера-
электрогенератора крутиться, и выше холодопроизводительность 
увеличивается. При средних и максимальных расходах холодопроизводительность 
возрастает с ростом мощности электрогенератора. 
Однако при малом расходе воздуха можно наблюдать такую 
картину: с увеличением тока сначала мощность электрогенератора 
увеличивается и, следовательно, повышается холодопроизводительность 
детандера, а затем и мощность генератора, и холодопроизводительность 
начинают падать несмотря на продолжающийся 
рост тока. Это происходит вследствие подклинивания ротора 
чрезмерной нагрузкой на валу. Недостаточный перепад давления 
воздуха на детандере, а следовательно, и расход воздуха через 
детандер не обеспечивают нормальную частоту вращения ротора, 
и он тормозится.  
 

 
 
 

Рис. 2. Конструктивная 
схема пластинчатого ро-

торного детандера: 

А, Б — подводящий и отводящий 
воздушные каналы 
соответственно; 1 — ротор; 
2 — пластина; 3 — корпус;  

4 — статор

Принцип действия вихревой трубы 

На рис. 3 приведена конструктивная схема вихревой трубы, 

называемой также вихревой трубой Ранка — Хилша. 

 

 

 

Рис. 3. Вихревая труба: 

1 — холодный конец трубы; 2 — развихритель; 3 — горячий конец трубы;  

4 — корпус;  5 — диафрагма 

 
 

Сжатый воздух подается в корпус 4 через отверстие, сме-

щенное относительно оси проточного канала. В корпусе 4 поток 
закручивается таким образом, что в поперечном сечении трубы 
образуется вихрь, угловая скорость которого велика у оси и мала 
у периферии трубы. Точной теории расчета вихревой трубы не 
существует. По одной из гипотез, избыток кинетической энергии 
внутренних слоев передается (трением) внешним слоям, повышая 
их температуру. Этот процесс происходит настолько 

быстро, что внутренние слои, отдав энергию периферийным 
слоям и охладившись, не успевают получать от них эквивалентного 
возврата теплоты, т. е. в поле вихревого разделения воздуха 
не наступает термического равновесия. 

Находясь вблизи центрального отверстия диафрагмы 5, 

холодный воздух выходит через него к левому концу трубы 1. 
Нагретые периферийные слои движутся вправо к развихрителю 2  
и через него выходят из горячего конца трубы 3. 

С ростом расхода степень охлаждения холодного потока и 

степень нагрева горячего потока увеличиваются до определенных 
пределов. 

Термодинамические процессы вихревой трубы малоэффек-

тивны. На охлаждение вихревой трубой расходуется энергии 
примерно в 8–10 раз больше, чем воздушной машиной с детандером. 
Однако такой способ одновременного получения холода 
и теплоты исключительно прост (если имеется система сжатого 
воздуха) и надежен, поэтому он применим в тех случаях, 
когда необходимо получать холод и теплоту периодически и в 
небольших количествах, а также когда простота конструкции, 
надежность, малые масса и габариты играют решающую роль. 

Несмотря на то что теории расчета вихревых труб не суще-

ствует, подобные устройства производят для различных сфер 
применения, используя при разработке эмпирические данные от 
аналогичных устройств, и каждый раз экспериментально проверяют 
новую конструкцию (аналогии срабатывают не всегда). 

Принцип действия парокомпрессионной  

холодильной машины 

Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной 

машины (ПКХМ) приведена на рис. 4. Машина состоит из испарителя 
3, компрессора 2, конденсатора 1, дросселя 4 и соединительных 
трубопроводов. В качестве рабочего тела — хладагента —  
могут использоваться синтезированные вещества, например, 
класса гидрохлорфторуглеродов, гидрофторуглеродов или природные 
вещества, например, аммиак, вода, пропан, углекислота. 

Рис. 4. Принципиальная схема паро-

компрессионной холодильной машины: 

1 — конденсатор;  2 — компрессор;  

3 — испаритель; 4 — дроссель; М — мотор 
вентилятора конденсатора;  Qи, Qк — 
тепловая мощность испарителя и конден-

сатора; Lкм — потребляемая мощность 

компрессора 
 

 

Цикл ПКХМ осуществляется следующим образом. 
В результате подвода теплотой мощности Qи в испаритель и 

одновременной работы компрессора хладагент испаряется при 
низкой температуре и соответствующем низком давлении. Образующиеся 
пары хладагента откачиваются и сжимаются в  
компрессоре, для чего затрачивается потребляемая мощность в компрессоре 
Lкм. 

При отводе теплоты от хладагента Qк в конденсаторе пары 

хладагента охлаждаются и конденсируются при более высоких 
(по сравнению с испарителем) температуре и давлении, так как 
среда, которой отдается теплота в конденсаторе, имеет бîльшую 
температуру, чем охлаждаемая среда.  

При прохождении хладагента через дроссель его давление 

понижается до уровня давления в испарителе, а температура 
снижается вследствие дроссель-эффекта. При этом часть хладагента 
испаряется без подвода теплоты извне. В качестве дросселя 
устройства часто используется терморегулирующий вентиль, 
основная задача которого помимо дросселирования хладагента — 
поддержание заданного перегрева хладагента на выходе из испарителя 
для исключения попадания жидкого хладагента в картер 
компрессора. 

Попадание жидкого хладагента в картер компрессора вызы-

вает следующие негативные последствия: