Основные способы охлаждения понятие холодильной техники процесса охлаждения теплоносителя реферат

Обновлено: 05.07.2024

рекомендуется обеспечивать такой режим охлаждения, при котором температура воды, выходящей из теплообменника, будет 40-50С.

Охлаждение водой осуществляют главным образом в поверхностных теплообменниках (холодильниках), конструкции которых рассмотрены ниже. Охлаждающая вода в холодильниках обычно движется снизу вверх. При таком направлении движения конвекционные токи, обусловленные изменением плотности теплоносителя за счет изменения температуры, совпадают с направлением движения теплоносителя. Кроме того, воду используют для охлаждения в смесительных теплообменных аппаратах, в которых происходит непосредственное соприкосновение охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей.

Достижение более низких температур охлаждения можно обеспечить с помощью низкотемпературных жидких хладоагентов. К их числу относятся жидкий аммиак, фреоны (хладоны), диоксид углерода, холодильные рассолы - водные растворы некоторых солей, например хлоридов натрия, магния или кальция, замерзающих при низких температурах. Эти жидкие хладоагенты циркулируют в специальных холодильных установках, где теплота от охлаждаемой среды отнимается при их испарении. Холодильные же рассолы выполняют роль промежуточных теплоносителей между испарителем холодильной машины (источник холода) и охлаждаемой средой (потребитель холода). В последнее время фреоны вследствие разрушения ими озонного слоя атмосферы заменяют другими хладоагентами.

Охлаждение воздухом

Воздух в качестве охлаждающего агента, как и воду, широко используют в химической технологии. По сравнению с водой воздух более доступен и, несмотря на то, что он обладает значительно меньшими значениями коэффициентов теплоотдачи и объемной теплоемкости (малые теплоемкость, теплопроводность и плотность) (это, в свою очередь, определяет значительно большие потребные поверхности теплообмена и расход теплоносителя), в современной технологии наблюдается тенденция к замене воды как охлаждающего агента воздухом. Помимо этого воздух не загрязняет поверхность теплоотдачи отложениями, не корродирует теплообменную аппаратуру, что положительно сказывается на увеличении срока службы воздушных холодильников.

Наиболее широко воздух в качестве охлаждающего агента используют в смесительных теплообменниках-градирнях, являющихся основным элементом оборудования водооборотного цикла.

Холодильные машины

Для охлаждения до температур ниже 0°С применяют хладоагенты, получаемые в холодильных установках. Методы охлаждения и ассортимент хладоагентов определяются интервалом температур. По этому признаку различают

-умеренное охлаждение (от комнатной температуры до - 100°С)

-глубокое охлаждение (ниже-100°С).

Умеренное охлаждение основано на испарении жидкостей с низкими температурами кипения. При обычных условиях они находятся в газообразном состоянии. К числу наиболее распространенных хладоагентов относятся аммиак и фреоны - фторхлорзамещенные производные метана и этана.

Промежуточные хладоагенты применяются для охлаждения до не очень низких температур (до-40°С) и обеспечивают возможность одновременного охлаждения в нескольких аппаратах. В качестве промежуточных хладоагентов используют водные растворы хлористого кальция или хлористого магния с низкой температурой кристаллизации.

Глубокое охлаждение основано на использовании эффекта Джоуля-Томсона. Он называется иногда дроссельным эффектом. Эффект Джоуля-Томсона заключается в понижении температуры газа при его адиабатическом расширении. В установках глубокого охлаждения рабочим телом чаще всего является воздух.

Холодильными машинами или термокомпрессораминазываются машины, непрерывно поддерживающие температуры тел ниже температуры окружающей среды.

Холодильные машины подразделяются на воздушные (газовые), паровые, пароэжекторные, абсорбционные, а также машины, принцип действия которых основан на эффектах Пельтье и Ранка-Хильша.

В паровых (парокомпрессорных) холодильных установках рабочим телом являются пары веществ - аммиака, углекислоты, сернистого ангидрида, фреонов (фторпроизводных углеводородов), т.е. низкокипящие жидкости. Благодаря этому рабочий цикл можно расположить в двухфазной области состояния, в которой изобарные процессы подвода и отвода теплоты можно заменить на изотермические и тем самым уменьшить потери, связанные с необратимостью процессов.

Ввиду простоты конструкции, по сравнению с воздушными, высокой холодопроизводительности и большой надежности работы, эти установки получили самое широкое распространение в технике.

В пароэжекторных и абсорбционных холодильных установкахдля получения низких температур затрачивается не механическая работа, как в паровых или газовых, а теплота какого-либо рабочего тела с высокой температурой. В пароэжекторной установке для сжатия холодильного агента используется кинетическая энергия струи пара некоторого вещества. Эти установки отличаются невысоким холодильным эффектом и в промышленности применяются редко.

Более широкое распространение получили абсорбционные холодильные машины, в которых для получения низких температур используется как в пароэжекторных энергия в виде теплоты.

Абсорбционные холодильные установки существенно отличаются от всех других простотой конструкции. Для абсорбционной установки подбираются две жидкости, которые полностью растворяются друг в друге и имеют разные температуры кипения. Процесс поглощения всей массы одного тела другим называется абсорбцией. При этом легкокипящая жидкость используется как холодильный агент; а жидкость с более высокой температурой кипения - как абсорбент.

Работа такой установки состоит в следующем. В парогенераторе в результате подвода теплоты холодильный агент выпаривается из абсорбента в виде почти сухого насыщенного пара. Затем он поступает в конденсатор, где полностью конденсируется, отдавая теплоту парообразования охлаждающей воде. В дроссельном вентиле холодильный агент дросселируется, что сопровождается уменьшением давления и температуры и увеличением объема. При дальнейшем поступлении холодильного агента в теплообменник ему передается теплота от охлаждаемых тел. Затем холодильный агент поступает в абсорбер и вновь соединяется с абсорбентом. Полученная смесь вновь направляется насосом в парогенератор.

Термодинамически эти установки менее совершенны, чем паровые, однако они значительно проще по конструкции (ввиду отсутствия компрессора), дешевле, более надежны в работе и поэтому получили достаточно широкое распространение.

Подвод тепла.

Топочные газы получают, сжигая в топках печей твердое, жидкое или газообразное топливо. При этом тепло промежуточным теплоносителям передается, как правило, через стенки встроенных в печь труб за счет излучения, теплопроводности и конвекции (сложный теплообмен). Существенная доля тепла, передаваемого излучением, объясняется высокой температурой, достигаемой при горении (~1000 С). Температуру нагревания топочными газами можно регулировать за счет их частичной рециркуляции, возвращая в печь отработанные газы либо подводя дополнительное количество воздуха.

Подвод тепла электрическим током обеспечивает легкую регулировку температурного режима. Различают следующие способы подвода тепла электрическим током: за счет электрического сопротивления (прямого или косвенного), индукционный, высокочастотный и дуговой.

В случае электрического сопротивления прямого действиятепло выделяется при прохождении электрического тока через среду, помещенную в аппарат. При этом одним из электродов служит корпус аппарата, а другой находится в самой среде. Подвод теплоты за счет электрического сопротивления косвенного действия осуществляется при прохождении электрического тока через специальные нагревательные элементы, от которых тепло передается среде путем излучения, теплопроводности и конвекции.

При индукционном подводе тепла аппарат является сердечником соленоида, по которому пропускают переменный электрический ток. Переменное магнитное поле индуцирует в стенках аппарата индукционные токи, вызывающие нагрев аппарата.

Высокочастотный способ подвода тепла применим к диэлектрикам. Они помещаются в переменное электрическое поле высокой частоты, под действием которого молекулы поляризуются и поворачиваются с высокой частотой. В результате трения между молекулами выделяется теплота. Основным преимуществом данного способа является равномерный прогрев материала, так как выделение теплоты происходит во всем его объеме.

Электродуговой способ подвода тепла осуществляется за счет пламени дуги, возникающей между электродами. Причем одним из электродов может служить сам теплоноситель. Этот способ позволяет достичь высокой температуры (1500 – 3000 С), но сложен в регулировании.

В этом обзоре, речь пойдет об основных способах охлаждения, которые зависят от метода теплопереноса (теплообмена). Здесь будут доступны лишь самые общие описания.

Содержание:

Естественное охлаждение

Способы естественного охлаждения отводят теплоту в окружающую среду, затрачивая при этом минимум электрической энергии. Это самый эффективный метод понижения температуры с точки зрения расхода энергии, который имеет одно ограничение, он не способен охладить теплоноситель ниже температуры источника естественного холода. Как только теплофизическое равновесие достигнуто, дальнейшее охлаждение тела невозможно.

Термодинамическое равновесие — это такой термодинамический порядок тел, который при неизменности внешних факторов (давления, температуры, энтропии, объёма) т.е. без внешнего воздействия может сохраняться не ограниченное время.

Количество тепла, которое способно принять тело, применяемое для охлаждения, определяет его холодопроизводительность или холодильный эффект. Поскольку физическая природа процессов одинакова, понятия теплота и холод условны.

Для лучшего понимания картины происходящего давайте вспомним, о чем говорит второй закон термодинамики.

Охлаждение, это необратимый процесс физического переноса тепловой энергии от нагретого (тела) к более холодному, до получения эффекта термодинамического равновесия. Под термином тело, понимают любое агрегатное состояние вещества (кристаллы, жидкость, газ) принимающего участие в теплообмене.

Теплообмен представляет собой разностороннее физическое явление, которое условно можно поделить на цепь простых, но принципиально разных способов теплопереноса.

Эффект термодинамического равновесия достигается путем одного из трёх видов передачи теплоты в пространстве:

Излучение (лучистое тепло) - термический перенос между предметами, за счет инфракрасного излучения без нагрева окружающего воздуха или вакуума.
Конвекция – перенос тепла в замкнутом объеме, веществом (газом либо жидкостью), путем перемешивания более горячего вещества, с холодным.
Теплопроводность – передача тепловой энергии между твердыми предметами при их непосредственном контакте, методом взаимодействия элементарных частиц.

Основными природными агентами для естественного охлаждения тел принято считать лед, воду и воздух.

Вода один из самых универсальный и уникальных химических элементов на земле. В зависимости от окружающей температуры, при стандартном давлении ртутного столба 760 мм или 1,013 бар, её можно встретить в любом агрегатном состоянии:

Каждое агрегатное изменение состояния воды называется фазовым переходом. Удельная теплоемкость воды равна 1,16 Вт/кг на 1°С, для запуска фазового перехода воды в лед потребуется 7,5 Вт/кг. Т.е. для образования кристаллов льда в объеме, необходимо приложить практически в семь раз больше энергии, чем для обычного охлаждения.

Это свойство веществ широко применяется при получении искусственного холода, когда требуется охладить продукт ниже температуры природного источника низкой температуры.

Искусственное охлаждение (refrigeration)

Вихревой способ температурного разделения газа при закручивании в камере с условием, что поток в трубке проходит в обоих направлениях. Эффект Жозефа Ранка и Рудольфа Хильша.
Дросселирование (торможение, редуцирование). Способ Джоуля - Томпсона, получение эффекта охлаждения путем снижения давления жидкости или газа при прохождении потоком местного сопротивления, ограничивающего проходное сечение.
Способ охлаждения Пельтье, в этом случае происходит термоэлектрическое поглощение или выделение теплоты при воздействии электрического тока в месте соединения двух разнородных проводников.
Абсорбционный способ охлаждения тел получил свое название от процесса абсорбции. Т.е. поглощения веществом паров хладагента.
Фазовое преобразование агрегатного состояния вещества, сопровождающиеся выделением либо поглощением тепла:
- плавление или кристаллизация
- испарение либо конденсация
- сублимация или десублимация

Особенность фазового перехода, заключается в том, что температура тела осуществляющего преобразование, при одинаковом давлении, остается неизменной до полного завершения процесса.

Распространенные способы получения искусственного холода на основе изменения агрегатного состояния тел, которые применяют в производстве и хранении продуктов классифицируют на два типа:

Нециклический способ охлаждения, является кратковременным и достигается, как правило, за счет фазового перехода кристаллизованного вещества путем плавления или сублимации. То есть перехода твердого тела в жидкость (плавление) либо минуя жидкое состояние сразу в газообразное (сублимация). Изменение исходного агрегатного состояния при фазовом преобразовании походят при постоянном давлении и температуре, которые зависят от свойств физического тела и внешних условий перехода. Для примера можно рассмотреть способы охлаждения продуктов в низкотемпературной камере, в которую помимо продуктов помещают заранее заготовленный водяной лёд (Н2О) или сухой лед (диоксид углерода СО2). Температура сублимации кристаллической угольной кислоты при нормальном атмосферном давлении равна -78,9 °C. Водный лед при атмосферном давлении плавится при достижении температуры выше 0 °C.
Циклический способ, чаще называют машинным охлаждением, он базируется на термодинамических процессах, то есть на обратимых физических циклах, которые в термодинамике называют круговыми. В основе здесь так же лежит фазовый переход, но уже между жидкостью и газом, это так называемые парокомпрессионные холодильные машины. Дросселирование в таких схемах применяют для усиления холодильного эффекта.

Охлаждение химическим способом

Сорбционные или Абсорбционные - пароконденсационные холодильные машины (АБХМ) непрерывного действия, тоже являются циклическими, так как процессы абсорбции хладагента в абсорбере и выпаривания (десорбции) раствора в генераторе протекают непрерывно при постоянном давлении кипения жидкости в испарителе и конденсации паров в конденсаторе.

Абсорбционные процессы охлаждения происходят в среде рабочих веществ (растворов), состоящих, из двух компонентов – хладагента и сорбента. При работе АБХМ, хладагент циклически находится как в жидком, так и в виде пара, а абсорбент только в жидком состоянии.

Абсорбционные холодильные устройства могут быть водно-аммиачными или бромисто-литиевыми LiBr . Ввиду низкой холодопроизводительности такие машины в основном используют в промышленности и производстве электрической энергии.

Вихревой способ охлаждения осуществляется с помощью трубы Ранка.

Воздух, имеющий температуру окружающей среды, под большим давлением поступает в диффузор находящийся под углом к вихревой камере.

В камере кинетическая энергия закручивает воздушный поток. Круговая скорость воздушного вихря распределяется не равномерно, по внешней окружности она значительно уступает скорости струи находящейся ближе к центру. При движении газового потока в направлении дроссельного клапана происходит расслоение температуры (кинетическая энергия внутреннего вихря, через трение передается периферийному вихрю в виде тепловой энергии), в результате чего наружный вихрь нагревается, а внутренний напротив остывает.

Достигая конца трубки с коническим дроссельным клапаном, периферийный вихрь вырывается наружу перегретым, центральный осевой вихрь отражается от дросселя и движется в противоположном направлении, выходя через диафрагму охлажденным.

Вихревая труба Ранка-Хильша позволяет получить значительный перепад температур на разных концах трубы, более 200°С. Ввиду большого потребления энергии, способ применяется для местного (точечного) охлаждения оборудования.

Охлаждение дросселированием

Дросселированием называется преодоление жидкостью либо газом отверстия с малым сечением, которое сопровождается резким снижением давления.

При дросселировании не обязательно происходит охлаждение, иногда температура на выходе растет или остается прежней. Это зависит от исходных данных жидкости или газа перед процессом дросселирования.

На принципе дросселирования был основан простой однократный холодильный цикл Линде, примененный в установке по сжижению воздуха.

В парокомпрессионных холодильных машинах рабочее вещество в начале цикла сжимается компрессором, затем подвергается охлаждению, а потом через дроссель поступает в испаритель. Чаще всего в бытовых холодильниках в качестве дросселя встречается капиллярная калиброванная трубка.

При дросселировании жидкого хладагента с низкой температурой кипения, на внешней стороне дросселя (в промышленной холодильной технике ТРВ - терморегулирующий вентиль), вследствие снижения давления происходит закипание жидкости. Жидкий хладагент при этом интенсивно испаряется, значительно увеличиваясь в объеме, в результате чего совершается работа по преодолению взаимного притяжения молекул рабочего вещества. Произведенная работа по разрыву молекулярных связей, сопровождается снижением внутренней энергии кипящего тела. Дросселирование жидкого хладагента, в результате преобразования сил трения в тепло и передачи ее газу, способствует значительному снижению температуры.

Термоэлектрический способ охлаждения Жана-Шарля Пельтье

Эффект был открыт в 1834 году. Испытатель пролил воду на электроды, изготовленные из висмута и сурьмы, которые были подключены к электрической цепи. Вода на одном из контактов, внезапно превратилась в лёд.

Дальнейшее изучение феномена показало, что при прохождении электрического тока между двумя разно заряженными проводниками, на одной стороне происходит нагрев, а на противоположной стороне охлаждение. При смене полярности, горячая и холодная стороны элемента также меняется местами.

По причине низкого КПД, на протяжении следующих 100 лет о термоэлектрическом охлаждении было известно только научному сообществу, прикладного применения он не находил. Только в конце 30х годов прошлого столетия ученый академик А.Ф.Иоффе, предложил использовать для элемента Пельтье полупроводники и доказал достаточную эффективность термоэлектрического охлаждения.

Сегодня машинные способы охлаждения встречаются повсюду, в квартире, автомобиле, офисе, на промышленном и пищевом производстве.

Наука и медицина применяют охлаждение в криогенной технике:

Криобиология — раздел биологии, который исследует действие низких температур на живые клетки.
Криотерапия — лечение организма воздействием холода.

Сферы применения того или другого способа охлаждения веществ определяются их свойствами, которые влияют на производственные процессы, а также показателями экономической эффективности.

Поддержание заданного температурного и влажностного режима в камерах холодильника достигается работой всей холодильной установки, т. е. холодильной машины и местных камерных приборов охлаждения, установленных в охлаждаемых помещениях.

Система охлаждения должна быть надежной и гибкой в работе и допускать требуемые переключения машин и аппаратов в случае изменения режима работы, ремонта или аварии.
должна быть простой и удобной в эксплуатации и не вызывать затруднений у обслуживающего персонала в наблюдении за работой холодильной установки в целом или отдельных ее частей.
должна быть удобной для автоматизации.
В системе должны быть предусмотрены контрольно-измерительные приборы в количестве, достаточном для постоянного контроля за работой установки.
должна удовлетворять требованиям правил техники безопасности.
должна быть экономичной как по первоначальным капиталовложениям, так и в процессе эксплуатации.

В зависимости от условий теплоотвода и конструкций камерных приборов охлаждения различают: 1) трубчатое охлаждение; 2) воздушное охлаждение; 3) смешанное охлаждение.

При трубчатом охлаждении в камерах устанавливают батареи, в которые подают жидкий холодильный агент или теплоноситель. Если охлаждение воздуха происходит вследствие кипения холодильного агента в батареях, расположенных непосредственно в охлаждаемой камере, то такой способ охлаждения называют непосредственным охлаждением, а камерные приборы охлаждения — батареями непосредственного охлаждения.

Охлаждение воздуха может происходить также вследствие нагревания теплоносителя, поступающего в батареи с температурой на 8—10° ниже температуры охлаждаемого воздуха. Наиболее распространенными теплоносителями являются рассолы (водные растворы солей — хлористого кальция, хлористого натрия, хлористого магния), поэтому такое охлаждение называют рассольным, а местные приборы охлаждения — рассольными батареями.

Трубчатое охлаждение иногда называют тихим, так как в камере устанавливается естественная циркуляция воздуха, вызванная разностью удельных весов теплого воздуха у поверхности груза и холодного — у поверхности охлаждающих приборов.

Скорость воздуха в камерах с трубчатым охлаждением находится в пределах от 0,05 до 0,15 м/сек. Усиления циркуляции воздуха достигают установкой около батарей направляющих циркуляционных щитов.

Воздушное охлаждение камер осуществляется путем предварительного охлаждения воздуха, подаваемого в камеру, в теплообменном аппарате — воздухоохладителе. Холодный воздух из воздухоохладителя нагнетается в камеру, соприкасаясь с продуктом, отепляется, увлажняется и вновь поступает в воздухоохладитель для охлаждения и осушения. Кроме рециркуляционного, в воздухоохладитель может поступать также наружный воздух. Таким образом, осуществляют вентиляцию камер.

При воздушном охлаждении в камерах имеет место принудительная циркуляция воздуха, скорость которого достигает 10 м/сек. Смешанное охлаждение представляет собой трубчатое и воздушное в различных комбинациях.

В любом природном процессе осуществляется непрерывный переход теплоты от тел с высокой температурой к телам с низкой температурой, т. е. происходит естественное охлаждение, при котором конечная температура охлаждаемого тела зависит от температуры охлаждающего тела. Количество теплоты, которое может поглотить охлаждающее тело, определяет его охлаждающий эффект , или количество произведенного холода. Так, количество производимого холода 1 кг водного льда равно теплоте его плавления при О °С, т. е. 335 кДж/кг. Охлаждающими телами в естественных условиях являются воздух, вода и лед.

При естественном охлаждении температуру ниже температуры окружающей среды получить нельзя. Чтобы температура тела стала ниже температуры естественных источников холода, применяют искусственные способы охлаждения, основой которых являются следующие физические процессы: изменение агрегатного состояния (фазовые превращения), сопровождающиеся поглощением теплоты (плавление, парообразование, сублимация, растворение соли); расширение сжатого газа с получением внешней работы; дросселирование (эффект Джоуля- Томпсона); вихревой эффект (эффект Ранка - Хильша); термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье); десорбция газов.

Изменение агрегатного состояния тела (плавление, кипение, сублимация) сопровождается поглощением значительного количества теплоты, расходуемой на внутреннюю работу по преодолению сил сцепления между молекулами. На практике для получения охлаждающего эффекта используют вещества (водный лед, аммиак, хладагенты R12, R22, R502, углекислоту и т. д.), у которых процессы плавления, кипения и сублимации протекают при низкой температуре при нормальном атмосферном давлении.

Фазовые превращения при изменении агрегатного состояния тел (плавление, кипение, сублимация) происходят при постоянных температурах и давлении, зависящих от физических свойств тел и условий перехода из одного состояния в другое.

Плавление - переход тела из твердого состояния в жидкое при подводе к нему необходимого количества теплоты. Плавление водного льда широко используют для охлаждения тела температурой выше О °C. Смешивание раздробленного льда или снега с солью снижает температуру таяния смеси.

Наибольшее применение в холодильной технике получили смеси хлористого натрия (NaCl) и хлористого кальция (СаС1₂) со льдом. В зависимости от процентного содержания солей в смесях их температура плавления может быть снижена соответственно до - 21,2 и - 55 °С.

Температура плавления определяется давлением и в период перехода тела из твердого состояния в жидкое остается постоянной. Количество теплоты qп, кДж, поглощенное 1 кг твердого тела при переходе его в жидкое состояние, называется теплотой плавления. e Теплота плавления льдосоляной смеси при снижении температуры плавления уменьшается. Так, теплота плавления чистого водного льда 335 кДж/кг, а смеси 28 %-й поваренной соли и льда 222 кДж/кг.

Кипение - процесс интенсивного образования пара во всей массе жидкости при ее нагревании. В отличие от кипения образование пара при испарении происходит только с поверхности жидкости. Количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг жидкости, доведенной до температуры кипения, чтобы при постоянном давлении превратить ее в сухой насыщенный пар, называется удельной теплотой парообразования r, кДж/кг.

Процесс кипения происходит при определенной для данного давления температуре жидкости, называемой температурой кипения и равной температуре насыщения. Температура кипения любой жидкости остается неизменной в течение всего времени кипения.

При увеличении давления температура кипения повышается, а теплота парообразования уменьшается. Состояние вещества, в котором температуры перехода изо льда в жидкость и из жидкости в пар становятся равными, называется критическим. Теплота парообразования при критической температуре равна нулю. При температуре выше критической переход пара в жидкость невозможен.

При уменьшении давления температура кипения снижается. Например, вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100 °C. Если же в емкости с водой снизить давление до 0,001 МПа, то вода закипит при 4 °C. Хладагент R22 при давлении 0,1 МПа кипит при температуре - 40,8 °С, с уменьшением давления до 0,06 МПа температура кипения снизится до - 50 °C. Если емкость с хладагентом R22 поместить в помещение и соединить с атмосферой, то жидкость в емкости будет кипеть при температуре - 40,8 °С. Так как температура в помещении выше температуры кипения жидкости, то теплота преобразования будет отводиться от воздуха помещения, охлаждая его. Образовавшиеся при кипении пары будут выходить в атмосферу.

Охлаждающий эффект может быть получен за счет интенсивного испарения воды, теплота парообразования которой при 0°С равна 2500 кДж/кг. Испарительное охлаждение водой применяют при относительно высокой температуре кипения хладагента. Температура кипения и плавления хладагента изменяется соответственно с изменением давления.

Сублимация (возгонка) - процесс перехода тела из твердого состояния непосредственно в парообразное. Количество теплоты, поглощаемое 1 кг твердого тела при постоянной температуре перехода его в парообразное состояние, называется удельной теплотой сублимации q c, кДж/кг. Водный лед в атмосферных условиях сублимирует при температуре ниже 0 °C.

Углекислота в тройной точке имеет температуру - 56,6 °С и давление 0,52 МПа. Температура сублимации твердой углекислоты при атмосферном давлении -78,9 °C. Теплота сублимации q _c равна сумме теплоты плавления q _п и парообразования r , вследствие чего процесс дает больший холодильный эффект.

Для получения низких температур используют жидкости с низкой температурой кипения при нормальном атмосферном давлении, это -сжиженные воздух (температура кипения - 192 °C), кислород (- 183 °С) и азот(- 196 °C).

Способы охлаждения, основанные на использовании фазовых превращений веществ, возможны только при неограниченном запасе охлаждающих тел. Непрерывное получение холода при использовании одного и того же количества охлаждающего вещества возможно, если после получения холодильного эффекта оно возвращается в начальное состояние. Это осуществляется с помощью холодильных машин.

Процесс адиабатного расширения сжатого газа сопровождается снижением температуры. Связь между давлением и температурой для идеального газа в адиабатном процессе выражается соотношением T₂/T₁=(p₂/p₁) (k-1)/k , где к - показатель адиабаты.

В адиабатном процессе расширения теплообмен с окружающей средой отсутствует, поэтому вся внутренняя энергия полностью преобразуется в механическую работу.

При расширении реального газа затрачивается дополнительная работа на преодоление внутренних сил притяжения его молекул и выполнение внешней работы.

Если воздух, сжатый до 9,5 МПа при t₁ = 20 °С, адиабатно расширяется до 0,1 МПа, то при k = 1,4 его конечная температура

Или t₂ = 79,6 – (-273) = - 193,4 °C.

Дросселированием называется снижение давления жидкости или газа при проходе через любое суженное отверстие (диафрагму, клапан). При быстром снижении давления внешняя работа не совершается и теплообмена с внешней средой практически не происходит. Энтальпия в этом процессе не изменяется, а энтропия возрастает из-за расхода внутренней энергии потока на преодоление трения, что указывает на необратимость процесса.

За суженным отверстием в зависимости от свойств и состояния реального газа внутренняя энергия может быть больше или меньше либо равной внутренней энергии до суженного отверстия. В зависимости от характера изменения внутренней энергии конечная температура реального газа может быть выше, равна или ниже начальной.

Изменение температуры вещества при дросселировании называется эффектом Джоуля - Томпсона , его применяют в технике глубокого охлаждения реальных газов.

Дросселирование жидкости сопровождается значительным снижением температуры. Это вызвано тем, что при дросселировании жидкости (особенно насыщенной) происходит парообразование в результате превращения работы сил трения в теплоту и передачи ее жидкости. При этом увеличивается объем и совершается большая работа по преодолению сил взаимного притяжения молекул. Если теплообмен с окружающей средой отсутствует, работа по преодолению сил притяжения будет сопровождаться уменьшением внутренней энергии, а следовательно, и температуры парожидкостной смеси. Процесс дросселирования жидкости широко используется для получения умеренно низких температур.

Охлаждение воздуха этим способом (эффект Ранка-Хильша) осуществляется с помощью вихревой трубы (рис. 1.1). Поток воздуха, предварительно сжатого, при температуре окружающей среды поступает в сопло 3 трубы 2 где, завихрясь, разделяется на два потока -холодный и горячий. Через диафрагму 4 воздух выходит охлажденный, а через дроссель 1 по периферии трубы - горячий.

Воздушный поток, вышедший из сопла по касательной к внутренней поверхности трубы, образует свободный вихрь, угловая скорость которого велика около оси и уменьшается по мере удаления от нее. При движении к дроссельному клапану 1 угловая скорость между слоями потока выравнивается вследствие трения между ними (скорость внутренних слоев снижается, внешний - возрастает), при этом кинетическая энергия внутренних слоев передается периферийным слоям. В результате наружные слои воздуха оказываются более нагретыми, внутренние - холодными.

В вихревой камере температурное расслоение воздуха происходит значительно быстрее, чем установка термического равновесия. При давлении воздуха 0,3- 0,5 МПа образуется холодный поток с температурой (- 10)-(- 50) °С и горячий с температурой 100-130 °С.

Получение охлаждающего эффекта с помощью вихревой трубы связано с большим расходом энергии. Вихревую трубу целесообразно применять в лабораторных и производственных условиях для периодического получения небольшого количества холода и теплоты.

Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье) заключается в том, что при прохождении электрического тока через цепь, составленную из разнородных полупроводников, в местах контактов (спаев) выделяется или поглощается теплота.

На рис. 1.2 изображен термоэлемент, состоящий из двух различных полупроводниковых элементов с электронной (-) и дырочной (+) проводимостью. Материалом полупроводников служат соединения висмута, сурьмы, селена с добавлением присадок. Широко распространены сплавы висмута, селена, теллура (с электронной проводимостью) и висмута, теллура, свинца (с дырочной проводимостью).

Термоэлементы объединяют последовательно в батареи с помощью медных пластин 1, которые образуют спаи. К электронному полупроводнику 2 подключен плюс источника питания, к дырочному 3 - минус. При прохождении по термоэлементу постоянного тока температура, верхнего спая понизится до t_x и холодный спай будет поглощать теплоту Q₀ от охлаждаемой среды. На нижнем спае температура повысится до t_г, при этом горячий спай будет отдавать теплоту Q_K окружающей среде. Перепад температур между горячими и холодными спаями достигает 60 °C.

Термоэлектрическое охлаждение применяют в холодильных шкафах, кондиционерах и т. д. Холодопроизводительность выпускаемых батарей термоэлементов не превышает 50-100 Вт.

Охлаждающий эффект методом десорбции получают следующим образом. Сначала происходит адсорбция гелия активированным углем: процесс сопровождается выделением теплоты. При адсорбции в емкости поддерживается возможно низкая температура, т. е. емкость охлаждается. После насыщения угля гелием емкость изолируется. Затем гелий откачивают из емкости. При десорбции гелия из угля температура в емкости быстро снижается. Так, в одном из опытов 15 г активированного угля адсорбировали 8 л газообразного гелия при - 260 °С и давлении 0,13 МПа. При десорбции гелия из угля была получена температура ниже - 269 °С. Охлаждение газов методом десорбции применяют в основном в лабораторной практике для получения температуры, близкой к абсолютному нулю.

В рыбной промышленности из рассмотренных выше способов охлаждения применяют охлаждение при изменении агрегатного состояния тел (плавление, кипение) и охлаждение с помощью дросселирования.

Читайте также: