Раздел IV. Приложение…………………………..…………………………...….268 7 страница

7.2.2. Охлаждение посредством расширения сжатого газа

Охлаждение достигается в процессе расширения сжатого газа. Метод находит практическое применение в воздушных холодильных машинах при расширении газа в поршневых компрессорах или турборасширителях (турбодетандерах).

7.2.3. Охлаждение при помощи дросселирования(эффект Джоуля - Томсона)

Дросселированием называется снижение давления жидкости или газа при прохождении его через узкое отверстие (трубка малого диаметра, вентиль с малым проходным сечением). Поток вещества не производит работу, и давление снижается практически адиабатически, т.е. без теплообмена с внешней средой. При этом энтальпия (теплосодержание) вещества остается постоянной.

Физическая сущность дросселирования состоит в том, что внутренняя энергия газа расходуется не на получение внешней работы, а на преодоление сопротивления (вследствие внутреннего трения газа). При преодолении газом или жидкостью сопротивления, местного (узкое отверстие) или по длине (прохождение через трубку малого сечения), температура среды понижается.

Процесс дросселирования широко используется в качестве основного способа изменения давления холодильного агента в холодильной машине - от давления конденсации до давления кипения в испарителе.

7.2.4. Вихревой эффект охлаждения

Метод реализуется в вихревых трубках, названных в честь изобретателя метода - французского инженера Ранка. Процессы, протекающие в вихревой трубе, сложны и теория этого вопроса недостаточно проработана.

В общих чертах суть процесса состоит в том, что поток сжатого воздуха, который подается в трубу через сопло по касательной к ее сечению, образует вихрь, в котором происходит разделение газа. Наружный слой нагревается, внутренний становится холодным. Поток холодного воздуха, расположенного в центральной части выходит из трубы через диафрагму 2, а внешние, нагретые слои воздуха, выходят за пределы трубы через дроссельный вентиль 3 (рис. 7.2).

Термодинамические процессы вихревой трубы, несмотря на ее конструктивную простоту, с практической точки зрения мало эффективны. Получение холодного воздуха при помощи вихревой трубы связано со значительным перерасходом энергии (в 8...10 раз) по сравнению с воздушной холодильной машиной.

Следует отметить, что использование вихревых труб в практике получения низких температур (с одновременным получением нагретого воздуха) ограничено не только энергетикой процесса, но и целым рядом требований. Так, например, воздух, поступающий в вихревую трубу должен быть очищенным, не иметь пыли и влаги, не содержать масла. Выполнить все эти требования, одновременно обеспечивая большой расход воздуха, технически трудно.

Кроме того, вихревая камера трубы должна быть выполнена с высоким уровнем технического совершенства (иметь высокий уровень чистоты рабочей поверхности). В процессе эксплуатации вихревой трубы, при скоростях потока воздуха близких к скорости звука, возможно нарушение чистоты рабочей поверхности.

Высокие скорости воздушного потолка определяют высокий уровень шума работающей трубы, что предполагает необходимость устройства звукоизолированных помещений. Совокупность отмеченных качеств ограничивают применение вихревой трубы для решения задач пищевой технологии.

7.2.5. Термоэлектрическое охлаждение(Эффект Пельтье)

В 1834 г. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а другой нагревается. Количество тепла Q, поглощаемого или выделяемого спаем, в зависимости от направления тока силой I за время определяется следующим соотношением:

, (7.3)

Величина П называется коэффициентом Пельтье.

Попытки использовать эффект Пельтье для получения низких температур успеха не имели, поскольку не удавалось получить высокую величину термо э.д.с. Проблема получила разрешение с применением А.Ф. Иоффе полупроводников вместо проводников (рис. 7.3).

Термоэлемент выполняется последовательным соединением двух полупроводников, составляющих его ветви. Полупроводники имеют разную проводимость. Они соединяются медными пластинами. При пропускании постоянного электрического тока, на одном из спаев выделяется тепло, на другом достигается отрицательная температура.

Эффективность термоэлементов в значительной степени зависит от свойств материала. Отыскание соответствующих материалов является одним из эффективных направлений развития полупроводниковой техники.

7.2.6. Охлаждение при помощи фазовых превращений

Фазовые превращения (плавление, кипение, сублимация...) являются процессами с поглощением значительного количества тепла.

Плавление. Температура таяния чистой воды составляет 0^oC, 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 (tэвт= -21.2^оС), хлористый кальций (tэвт= -55^оС). Однако, с увеличением концентрации солевого раствора уменьшается его холодопроизводительность. Например, холодопроизводительность 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.

Кипениеи сублимация. Кипением называют процесс парообразования по всему объёму жидкости, протекающим с поглощением определённого 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.

Сублимациейназывается процесс перехода вещества из твёрдого состояния в газообразное состояние, минуя жидкое. В обычных условиях сублимирует, например, “сухой лёд” (твёрдая углекислота), йод, камфара.

Механизм процесса сублимации состоит в выделении за пределы твёрдого вещества наиболее “быстрых” молекул, кинетическая энергия которых обеспечивает преодоление сил притяжения остальных частиц твёрдого вещества.

Удельное тепло сублимации равно сумме теплоты плавления и парообразования.

Полное скрытое тепло парообразования равно

,кДж/кг, (7.4)

где: - внутренняя энергия, удельный объем, энтальпия насыщенного пара и жидкости, р - давление.

Тепло сублимации равно сумме теплоты плавления и парообразования r , поэтому процесс дает большой холодильный эффект:

, кДж/кг, (7.5)

На практике, охлаждение посредством сублимации реализуют в основном посредством твердой углекислоты. Твердая углекислота (сухой лед) при атмосферном давлении имеет большую холодопроизводительность (574 кДж/кг) и низкую температуру сублимации (-78,9^оС).

7.3. Термодинамические основы получения искусственного холода

7.3.1. Перенос тепла в холодильной машине, цикл Карно

В природе перенос тепла осуществляется от тела, более нагретого к телу менее нагретому. Этот процесс происходит самопроизвольно до установления теплового термодинамического равновесия, когда температура двух сред станет равной.

Для переноса тепла в обратном направлении, согласно второму закону термодинамики, необходимо затратить энергию.

К охлаждаемой среде (рис. 7.4, поз. 3), например, к воздуху в холодильной камере Q_в, непрерывно подходит тепло от внешней среды Qт. Рабочая среда (1) (холодильный агент), имеющая более низкую температуру, чем температура охлаждаемой среды Q_в, воспринимает тепло Qo, отнимая его от охлаждаемой среды (3). В холодильной машине для передачи этого тепла окружающей среде на совершение работы L затрачивается энергия. Эта работа, преобразованная в тепло, вместе с отведенным теплом Qo, которое называют холодопроизводительностью холодильной машины, переносится на теплоотводящую часть холодильной машины, называемую конденсатором. Температура рабочего вещества в этой части машины на 10...15^оС выше температуры окружающей среды, поэтому тепло перемещается в направлении теплового потока от нагретой среды к окружающей среде.

Теоретической основой переноса тепла в холодильной машине является второй закон термодинамики:

, Вт . (7.6)

Процесс переноса тепла отображается обратным циклом Карно (рис. 7.6). Он протекает с минимальными энергетическими потерями на совершение переноса тепла и рабочего вещества в холодильной машине в силу чего его принято называть идеальным. Процессы, протекающие в цикле Карно, традиционно рассматривают в диаграмме T - S, как наиболее наглядной демонстрационной диаграмме (T - температура, S - энтропия). Энтропию представляют как изменение количества тепла при температуре T или как меру потери энергии

, Дж/кг, (7.7)