Физические принципы получения низких температур

1. Охлаждение за счет фазовых превращений. При достижении твердым телом температуры плавления дальнейшего повы­шения его температуры не происхо­дит, а подводимая (или отводимая) теплота тратится на изменение аг­регатного состояния — превраще­ние твердого тела в жидкость (при отводе теплоты — из жидко­сти в твердое тело).

Температура плавления (затвер­девания) зависит от вида веще­ства и давления окружающей среды.

При атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) температура плав­ления водного льда равна 0 °С. Ко­личество теплоты, необходимое для превращения I кг льда в воду (или наоборот), называется скрытой или удельной теплотой плавления г. Для водного льда г=335 кДж/кг.

Количество теплоты, необходи­мое ДЛЯ превращения льда мас­сой М в воду, определяют по фор­муле: Q=Mr.

Из сказанного следует, что одним из способов искусственного охлаж­дения является отвод теплоты за счет плавления вещества в твер­дом состоянии при низкой темпе­ратуре.

На практике этот способ давно и широко применяют, осуществляя охлаждение с помощью заготовлен­ного зимой с использованием при­родного холода водного льда или с помощью замороженной в льдо­генераторах с использованием хо­лодильных машин воды.

При плавлении чистого водного льда температуру охлаждаемого вещества можно понизить до 0 °С. Для достижения более низких тем­ператур используют льдосоляные смеси. В этом случае температура и скрытая теплота плавления за­висят от вида соли и ее содер­жания в смеси. При содержании в смеси 22,4 % хлористого натрия температура плавления льдосоля — ной смеси равна —21,2 °С, а скры­тая теплота плавления составляет 236,1 кДж/кг.

Применяя в смеси хлористый кальций (29,9%), можно пони­зить температуру плавления смеси до —55 °С, в этом случае г= =214 кДж/кг.

Сублимация — переход ве­щества из твердого состояния в га­зообразное, минуя жидкую фазу, с поглощением теплоты. Для ох­лаждения и замораживания пище­вых продуктов, а также их хране­ния и транспортировки в заморо­женном состоянии широко исполь­зуют сублимацию сухого льда (твердой "двуокиси углерода). При атмосферном давлении сухой лед, поглощая теплоту из окружающей среды, переходит из твердого со­стояния в газообразное при тем­пературе —78,9 °С. Удельная теп­лота сублимации г—571 кДж/кг.

Сублимация замороженной воды при атмосферном давлении проис­ходит при сушке белья зимой. Этот процесс. лежит в основе промыш­ленной сушки пищевых продуктов, (сублимационная сушка). Для интенсификации сублимационной сушки в аппаратах (сублиматорах) поддерживают с помощью вакуум­ных насосов давление ниже атмос­ферного.

Испарение — процесс паро­образования, происходящий со сво­бодной поверхности жидкости. Его физическая природа объясняется вылетом молекул, обладающих большой скоростью и кинетической
энергией теплового движения, из поверхностного слоя. Жидкость при этом охлаждается. В холодильной технике этот аффект используют в градирнях для охлаждения воды и в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации к воздуху.

При атмосферном давлении и температуре О °С скрытая теплота испарения воды г=2509 кДж/кг, при температуре 100 °С г= =2257 кДж/кг.

Кипение — процесс интенсив­ного парообразования на поверх­ности нагрева за счет поглощения теплоты. Кипение жидкости при низкой температуре является од­ним из основных процессов в па — рокомпрессионных холодильных машинах. Кипящую жидкость на­зывают холодильным агентом (со­кращенно — хладагент), а аппа­рат, где он кипит, забирая тепло­ту от охлаждаемого вещества,— испарителем (название не совсем точно отражает суть происходяще­го в аппарате процесса). Количе ство теплоты Q, подводимое к ки­пящей жидкости, определяют ПО формуле: Q=Mr,

Где М — масса жидкости, превра­тившейся в пар.

Кипение однородного («чисто­го») вещества происходит при по­стоянной температуре, зависящей от давления. С изменением дав­ления меняется и температура ки­пения. Зависимость температуры кипения от давления кипения (дав­ления фазового равновесия) изоб­ражают кривой, называемой кри­вой упругости насыщенного пара.

Для наиболее распространенно­го в холодильной технике хлад­агента — аммиака такая кри — взя приведена на рис. 2. Атмосфер­ному давлению, равному 0,1 МПа, соответствует температура кипения аммиака —33 °С, давлению 1,2 МПа — температура 30 °С.

Значения скрытой (удельной)

Теплоты парообразования и дав­ления кипения для некоторых хлад­агентов при температуре кипения —15 °С приведены в таблице.

Хладагент	Г, КДж/кг	МПа
R717 (аммиак)	1313	0,236
R12	159	0,183
R22	216	0,296
R502	153	0,348
R13	106	1,315

Из таблицы следует, что у амми­ака по сравнению с другими хла­дагентами наибольшая скрытая теплота парообразования, дающая ему преимущество при выборе хла­дагента для той или иной конк­ретной холодильной машины.

Хладагент R12, имея значитель­но меньшую скрытую теплоту па­рообразования, обеспечивает рабо­ту холодильной машины при более низких (по сравнению с работой на аммиаке) давлениях конденса­ции, что для конкретных условий может иметь решающее значение.

2. Дросселирование (эффект Джоуля — Томпсона). Еще один из основных процессов в парокомпрес — сионных холодильных машинах, за­ключающийся в падении давления и снижении температуры хладагеи-

/іМПа it

0,5 0,7 Ц5 ИЗ 0,1

-50 -10 0 10 30’С

РИС. 2. Кривая упругости насыщен­ного пара аммиака та при его протекании — через су­женное сечение под воздействием разности давлений без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой.

В узком сечении скорость пото­ка возрастает, кинетическая энер­гия расходуется на внутреннее тре­ние между молекулами. Это приво­дит к испарению части жидкости и снижению температуры всего по­тока. Процесс происходит в регу­лирующем вентиле или другом дроссельном органе (капиллярной трубке) холодильной машины.

3. Расширение с совершением внешней работы. Процесс исполь­зуют в газовых холодильных ма­шинах.

Если на пути потока, двигаю­щегося под воздействием разности давлений, поставить детаидер (рас­ширительную машину, в которой поток вращает колесо или толкает поршень), то энергия потока будет совершать внешнюю полезную ра­боту. При этом после детандера одновременно с понижением дав­ления будет снижаться и темпера­тура хладагента.

4. Вихревой эффект (эффект Ранка — Хильша). Создается с по­мощью специального устройства — вихревой трубы. Основан на раз­делении теплого и холодного воз­духа в закрученном, потоке внут­ри трубы.

5. Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье). Его использу­ют в термоэлектрических охлаж­дающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электриче­ского тока.

Posted in К холодильной технике