Физические основы искусственного охлаждения

Из физики известно, что понятия «холод» и «теплота» условны, так как нх физическая природа одина­кова. Темдота — это один из видов энергии, который может быть пре­образован в ее другие виды, и на­оборот. Теплота может переходить от одного вешества (тела[1]) к дру­гому лишь при наличии разности температур между ними.

Вещества находятся в одном из трех (основных) фазовых (агрегат­ных) состояний — твердом, жид­ком или газообразном — в зави­симости от окружающих условий (давления и температуры) и мо­гут переходить из одного состоя­ния в другое при подводе или отво­де теплоты, вызывающей измене­ние строения вещества.

Твердая фаза — агрегатное состояние вещества, характеризуе­мое жесткой молекулярной струк­турой. Твердое тело сохраняет свою форму и размеры, практически не сжимается.

Жидкая фаза — агрегатное состояние вещества, молекулы ко­торого, обладающие большей энер­гией, чем молекулы твердого тела, не так плотно соединены друг с другом. Это позволяет им более легко преодолевать силы взаимно­го притяжения. Жидкость практи­чески не сжимается, сохраняет свой объем. Наиболее характерная осо­бенность жидкости — текучесть, благодаря которой она принимает форму сосуда, в котором находится.

Газовая или паровая фа­за — агрегатное состояние neiue — ства. молекулы которого, обладаю­щие большей энергией, чем моле­кулы жидкости, не связаны сила­ми взаимного притяжения и дви­жутся свободно. Газ легко сжи­мается и заполняет весь объем со­суда, в котором находится.

Пар отличается от газа тем, что его состояние ближе к жидкому состоянию. Газ — это сильно пе­регретый пар. В парокомпрессион- ных холодильных машинах рабочее вещество обычно находится в жид­ком и парообразном состоянии, в отличие от так называемых газо­вых холодильных машин, в кото­рых рабочее вещество — газ — не меняет своего агрегатного со­стояния.

Если температура вещества вы­ше температуры окружающей сре­ды (воздуха, воды и пр.), то его называют горячим (теплым или на­гретым). Самопроизвольное пони­жение температуры вещества до температуры окружающей среды называют естественным ох­лаждением.

Понижение температуры веще­ства ниже температуры окружаю­щей среды возможно путем искус­ственного охлаждения, а само вещество, температура кото­рого ниже температуры окружаю­щей среды, называют холодным.

Таким образом, исходя из отно­сительности понятий холода и теп­лоты, можно дать следующее опре­деление: холод — это теплота, отводимая от вещества, темпера­тура которого ниже температуры окружающей среды.

По температурному уровню раз­личают области (рис. 1): у ме ре н — н о г о холода — от температурь окружающей среды (условнс 20 °С) до —120 °С — и глубо

-О

(айсолютнь їй нуль)

Кого холода — от —120 °С до абсолютного нуля (—273,15 °С)

Искусственное охлаждение мож­но осуществлять двумя способа­ми:

С помощью другого вещества с более низкой температурой за счет отвода теплоты, чаще всего при изменении его агрегатного со­стояния;

С помощью охлаждающих устройств, холодильных машин и установок, которые составляют спе­циализированную область техники, называемую холодильной техникой.

Прежде чем перейти к более под­робному рассмотрению способов искусственного охлаждения, оста­новимся еще на некоторых поня­тиях и определениях, без усвоения которых невозможно изучение основ холодильной техники.

Количество теплоты Q из­меряют в джоулях (Дж) или ки­лоджоулях (кДж).

І’ИС. I. Области искусст­венного охлаждения

Тепловой поток, тоже Q,— это количество теплоты, отводимое (подводимое) от вещества (к ве­ществу) в I с. Следовательно, теп­ловой поток выражают в джоулях в секунду (Дж/с) или в килоджоу­лях в секунду (кДж/с). Но І Дж/с— I Вт. а І кДж/с= I кВт, т. е. тепловой поток как один из видов энергии выражают в тех же единицах, что и мощность.

Удельная теплоемкость с — это количество теплоты в Дж (кДж), которое необходимо отве­сти (подвести) от вещества (к ве­ществу) массой 1 кг, чтобы пони­зить (повысить) его температуру на 1 °С (или I К — кельвин). Эта величина зависит от темпера­туры вещества и его агрегатного состояния. В практических расче­тах можно принимать следующие значения удельной теплоемкости: для воды — 4,19 кДж/(кг-К), гли­церина — 2,26, водного льда — 2,095, стали — 0,425, воздуха при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) — 1 кДж/(кг-К)-

При отводе (подводе) теплоты переход через определенный тем­пературный предел вызывает изме­нение агрегатного состояний.

Так, при дальнейшем отводе теп­лоты от воды, когда ее темпера­тура уже снизилась до 0 °С, она замерзает, а при дальнейшем под­воде теплоты, когда температура поднялась до 100 °С, вода заки­пает.

■375,15 — температур, кипении BoSbi

При атмосферном давлении

Щ15~усла6ная темпер ату — оа окружающей среды 275,15-температура замерзания ооды

155,15

-773,15-

‘6/

Обычно теплоту, вызывающую изменение только температуры (без изменения агрегатного состояния) называют «сухой». Ее количество, необходимое для понижения (по­вышения) температуры вещества массой М от начальной темпера­туры 11 до конечной І2, определяют по формуле:

Q=Mc(ti—i2).

Posted in К холодильной технике