Охлаждение при помощи фазовых превращений
Фазовые превращения (плавление, кипение, сублимация…) являются процессами с поглощением значительного количества тепла.
Плавление. Температура таяния чистой воды составляет О °С, поэтому теплоотводящую среду можно охладить до более низкой температуры, используя солевые растворы. На практике для получения низких температур используют вещества с предельной эвтектической температурой — Поваренную соль (fgBT = -21,2 °С), хлористый кальций (t3m = -55 °С). Однако с увеличением концентрации солевого раствора уменьшается его холодопроизводительность. Например, холо — допроизводительность 1 кг чистого льда составляет 335 кДж/кг, а при температуре эвтектики — лишь 192 кДж/кг.
Эвтектическим раствором заполняют водонепроницаемые пакеты, которые называют аккумуляторами холода (зероторами). Их помещают в охлаждаемый объем, где замороженная эвтектическая смесь льда и соли оттаивает, отнимая тепло от охлаждаемой среды. Однако длительность хранения продуктов ограничена объемом солевого раствора, поэтому способ применяется в основном для хранения небольших количеств продуктов, например при транспортировке продуктов в бытовых сумках-холодильниках.
Автомобильный транспорт с охлаждаемыми аккумуляторами и теплоизолированным кузовом находит ограниченное применение по совокупности недостатков, связанных с большой массой аккумуляторов, необходимостью их замораживания и т. д.
Кипение и сублимация. Кипением называют процесс парообразования по всему объему жидкости, протекающий с поглощением определенного количества тепла. Температура кипения зависит от давления паров над жидкостью и при постоянном давлении неизменна.
Удельной теплотой парообразования называется количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения.
При уменьшении давления температура кипения жидкости понижается, так как для отрыва молекул пара от жидкости требуется меньшая внутренняя энергия. Понижая давление над жидкостью, можно заставить кипеть жидкость при низкой температуре, вплоть до температуры ее замерзания.
Состояние вещества, в котором предельные значения переходной области из жидкости в пар совмещаются, называют критической точкой. Тепло парообразования в критической точке равно нулю. При температуре выше критической точки газ нельзя превратить в жидкость.
Для получения холода применяют жидкости, имеющие при нормальном (атмосферном) давлении низкую температуру кипения и большую теплоту парообразования.
Сублимацией называется процесс перехода вещества из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкое. В обычных условиях сублимируют, например, «сухой лед» (твердая углекислота), йод, камфара.
Механизм процесса сублимации состоит в выделении за пределы твердого вещества наиболее «быстрых» молекул, кинетическая энергия которых обеспечивает преодоление сил притяжения остальных частиц твердого вещества.
Удельное тепло сублимации равно сумме теплоты плавления и парообразования.
Полное скрытое тепло парообразования равно:
R = u"-u’+A-p-(v"-v’) = i"-i’, кДж/кг, (7.4)
Где
И", и’, V", V‘, I", I‘ — внутренняя энергия, удельный объем, энтальпия насыщенного пара и жидкости; р — давление.
Тепло сублимации / равно сумме теплоты плавления X и парообразования г, поэтому процесс дает большой холодильный эффект:
Is=X + r, кДж/кг. (7.5)
На практике охлаждение посредством сублимации реализуют в основном посредством твердой углекислоты. Твердая углекислота («сухой лед») при атмосферном давлении имеет большую холодопроизводи — тельность (574 кДж/кг) и низкую температуру сублимации (-78,9 °С).
Posted in Холодильная техника