Физические основы искусственного охлаждения и принципы получения низких температур

Из физики известно, что понятия "холод" и "теплота" условны, так как их физическая природа одинакова. Теплота - это один из видов энергии, который может быть преобразован в ее другие виды, и наоборот. Теплота может переходить от одного вещества (тела*) 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 вещества, 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 парокомпрессионных 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): умеренного холода - от температуры окружающей среды (условно 20°С) до - 120°С - и глубокого холода - от - 120°С до абсолютного нуля (-273,15°С).

 

 

 

Рис.1 – Области искусственного охлаждения

Искусственное охлаждение можно осуществить двумя способами:

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

Ø 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).

Тепловой поток, тоже Q, - это количество теплоты, отводимое (подводимое) от вещества (к веществу) в 1 с. Следовательно, тепловой поток выражают в джоулях в секунду (Дж/с) или килоджоулях в секунду (кДж/с). Но 1 Дж/с=1 Вт, а 1кДж/с=1 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 1 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 состояния.

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.

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 t₁ до конечной t₂, определяют по формуле: Q = Mc (t₁ - t₂)

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 1 кг льда в воду (или наоборот), называется скрытой или удельной теплотой плавления r. Для водного льда r = 335 кДж/кг.

Количество теплоты, необходимое для превращения льда массой M 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 льдосоляной 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 r = 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, поглащая теплоту из окружающей среды, переходит из твердого состояния в газообразное при температуре -78,9°С. Удельная теплота сублимации r = 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 эффект используют в градирнях для охлаждения воды и в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации к воздуху.

При атмосферном давлении и температуре 0°С скрытая теплота испарения воды r = 2509 кДж/кг, при температуре 100°С r = 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 парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящую жидкость называют холодильным агентом (сокращенно - гладагент), а аппарат, где он кипит, забирая теплоту от охлаждаемого вещества, - испарителем (название не совсем точно отражает суть происходящего в аппарате процесса). Количество теплоты Q, подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле: Q = Mr, где M - 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 кривая приведена на рис.2. Атмосферному давлению, равному 0,1 МПа, соответствует температура кипения аммиака -33°С, давлению 1,2 МПа - температура 30°С.

 

 

 

Рисунок 2 - Кривая упругости насыщенного пара аммиака.

 

Значения скрытой (удельной) теплоты парообразования и давления кипения для некоторых хладагентов при температуре кипения -15°С приведены в таблице.

 

Хладагент	r, КДж/кг	p0, МПа
R717 (аммиак)		0,236
R12		0,183
R22		0,296
R502		0,348
R13		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.

Дросселирование (эффект Джоуля - Томпсона). Еще один из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах, заключающийся в падении давления и снижении температуры хладагента при его протекании через суженое 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.

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

Если на пути потока, двигающегося под воздействием разности давлений, поставить детандер (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.

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

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