Пайдаланудың температуралық аймақтары.

10-суретте әртүрлі қондырғылардағы жылуды тасымалдауды пайдаланудың температуралық аймақтары көрсетілген.

Жылу қабылдағыш ретінде – салқындатылатын ортадан, яғни салқындатылатын нысаннан жылу алынады, рефрижераторлық жүйелерде әдетте қоршаған орта (атмосфералық ауа немесе су) пайдаланылады, жылу сорғылық және аралас жүйелерде жылытылатын бөлмелер немесе технологиялық аппаратуралардың қыздырғыш элементтері қолданылады.

Барлық жылу тасымалдау процестерінде үш келтірілген түрлер қайтымды термодинамикалық циклдармен модельделінеді. Жалпы түрде осындай қайтымды циклдар Т, s – диаграммасында былай көрсетіледі, 11-сурет:

а- рефрижератор, б – жылу сорғысы, в – жылудың аралас тасымалдануы.

Сурет 11. Т, s – диаграммада жылуды тасымалдау циклдарының принципиалдық сұлбасы

Барлық үш жылу тасымалдау түрінің диаграммаларының талдауынан мынаны көреміз, циклдардың температуралық шекаралары әрқашан жылу бергіш пен жылу қабылдағыштардың арасындағы температура аралықтарынан үлкен болады. Бұл сыртқы жылуалмасудың талаптарымен сәйкес келеді.

Циклдың жоғарғы бөлігінде, яғни Q_қ.о. немесе Q_ж жылулары жұмыстық жылумен беріледі, оның температурасы Т_ж немесе Т_қ.о.-дан жоғары болуы керек. Бұл кезде қайтымды циклдар тура циклдардан анағұрлым ерекшеленеді.

1-2 процестері жылудың алынуы мен энтропияның азаюымен сипатталады, 3-4 процестері жылудың келуі мен энтропияның жоғарылауымен сипатталады, сонымен қоса 2-3 және 4-1 процестері сәйкесінше жұмыстық жылудың температураларының төмендеуі мен жоғарылауымен және әртүрлі әдістермен жүзеге асырылады. Жылуды айналдыруда 2-3¹ процесі маңызды орынды иеленеді, ол Т₃¹ циклының ең төменгі нүктесіне дейін температураның төмендеуіне байланысты. Жылуды түрлендірудегі ең қарапайым мысал ретінде Карноның кері циклы жатады.

Жасанды суықты өндіру мен аса төменгі температуралық деңгейден аса жоғары деңгейге жылуды тасымалдау өнеркәсіптің әртүрлі салаларында кеңінен қолданылады. Қоршаған ортадан төмен денелердің температурасын төмендетуге арналған және температураны үздіксіз сақтап тұратын жылу машиналары тоңазытқыш қондырғылары деп аталады. Қоршаған ортаның жылуының температуралық деңгейін арттыруға арналған осы жылу машиналарды жылу тасымалдағыштар немесе жылу сорғылары деп атайды. Тоңазытқыш станциялары, тоңазытқыш машиналарында жүзеге асырылады және осы суықты тұтынушыларға жеткізу үшін арналған. Тоңазытқыш станциясына тоңазытқыш машинасы (генератор), және осы суық әртүрлі тұтынушыларға тасымалданатын және сол жерже салқындатқыш батареяларға берілетін құбырлар кіреді. Тоңазытқыш қондырғысы: жылуалмастырғыштан, буландырғыштан, конденсатордан, регенеративті жылуалмастыр-ғыштардан, компрессордан, қосалқы құрал-жабдықтардан: бекіткіш арматура және т.б., алдын-ала сақтандырғыш арматура: әрқилы алдын-ала сақтандырғыш клапандардан тұрады.

ХІХ ғасырдың ортасына дейін нысандарды салқындатудың бірден бір көздері, табиғи суық пен мұз қоры болды. Кейбір кезде табиғи су мұзының қандай-да бір мұзбен араласқан салқындатқыш қоспалары қолданылды. ХІХ ғасырдың ортасында жылуды тасымалдау арқылы жасанды суықты алудың техникалық әдістері пайда болды.

Тоңазытқыш қондырғыларында алынатын суық 120 К-ге дейін әртүрлі мақсаттарда қолданылады, оның ішінде:

1) ауыл шаруашылығында және азық-түлік өнеркәсіптерінде – тез бұзылатын шикізаттарды дайындау және қайта өңдеуде, өнімдерді өндіру мен сақтауда;

2) жалпы тамақтану өнеркәсіптерінің сауда желілерінде және тұрмыста – азық өнімдерін тасымалдау мен сақтау үшін;

3) өндірістерде және тұрмыста – өндірістік, қоғамдық және тұрғын үй бөлмелеріндегі ауаны баптау үшін, яғни адамдардың көңіл-күйіне жағымды әсер ететін және технологиялық процестердің талаптарын қамтамасыз ететін жағдайды сақтау үшін;

4) сумен қамтамасыз ету техникасында – теңіз суын және тұзды суды тұщыландыру үшін;

5) теміржол және автомобиль көліктерінде – тез бұзылатын тамақ өнімдерін тасымалдау кезінде;

6) теңіз және өзен флоттарында – балықтарды және теңіз жәндіктерін сақтау мен қатыру үшін;

7) өнеркәсіптің медицина, биология және фармацевтика салаларында – биологиялық өнімдерді сақтау мен өндіру кезінде, сонымен бірге құрамында ұшатын заттары бар (пенициллин, стрептомицин, эфир, хлороформ және т.б.) дәрі-дәрмектерді дайындау кезінде;

8) жасанды талшықтар мен пластмассаларды өндіру кезінде – процестің берілген температураларын сақтап тұру үшін;

9) парфомериялық өнеркәсіптерде – түстер мен хош иісті заттектерді және т.б. сақтау үшін.

Ғылым мен өнеркәсіптің көптеген салаларында криогенді қондырғылармен қамтамасыз етілетін аса төменгі температуралар (120 К-нен төмен) қолданылады, оның ішінде:

1) металлургияда – болатты қорыту процесін қарқындату үшін, сонымен қоса, шойынды балқытуда, ферроқорытпада және түрлі-түсті металдарды оттегімен үрлеп байыту арқылы, ауаның төмен температуралы ректификациясы кезінде алынады. Металургияда сонымен бірге, техникалық оттегі пайдаланылады (газ тәрізді және сұйық) және ауаны ректификациялайтын басқа да өнімдер, соның ішінде аргон – инертті ортада қоспалар мен балқымаларды жою үшін;

2) машина жасауда – төмен температуралы ректификация арқылы металлдарды кесу мен дәнекерлеуге қажетті оттегі мен инертті газдарды алу үшін қолданылады.Болатты суықпен өңдеу оның қаттылығы мен төзімділігін арттырады.Төмен температуралы сонымен бірге тұтқыр материалдарды бөлшектеу кезінде қолданылады.Cонымен бірге тұтқыр материалдарды бөлшектеу кезінде қолданылады.

3) Химия өнеркәсіптерінде газ қоспасын бөлу кезінде оның ішінде ауаны яғни оттегі мен азотты алу үшін қолданылады.Сонымен бірге температуралар буды конденсациялау үшін газдарды кептіру үшін, күрделі ерітінділерді бөлу үшін,тұздарды кристалдау үшін химиялық реакциялардың жылдамдық бағытын реттеу үшін және төмен температуралы қайнайтын сұйықтарды сақтау үшін қолданылады.

4) Газды өнеркәсіптерде газдық қоспаларды бөліп алу үшін соның ішінде гелийді алу үшін,салқындатқыш және сиретілген және басқа да газдарды алу үшін,сақтау және тасымалдау үшін қолданылады.

5) Авиация мен ғарыш саласында отынды алу үшін (мыс,сұйық сутегін) және қышқылдарды (сұйық оттегін) соныменқоса өте жоғары биіктікте және ғарышта жұмыс істейтін адамдарға оттегімен қамтамасыз ету үшін қолданылады.

6) Энергетика саласында әртүрлі құрылғыларды жасау үшін (жинақтағыштар, генератор, электр қозғалқыштарын, электр беру желілерін) креорезистивтік, яғни, төмендетілген электр кедергісін алу кезінде алу кезінде қолданылады.

7) Медицина саласында әртүрлі ауруларды хирургиялық жолмен емдеу кезінде төмен температуралы биологиялық тканьдерді диструбциялау үшін қолданылады.

8) Ғылыми зерттеу мекемелерінде,зертханаларында зерттелетін дененің төмен температурасын сақтау үшін терең вакуумды жасау үшін тіпті ғарыштыққа дейінгі элементар бөлшектерді үдету сияқты физикалық зерттеулерді қондырғылар мен өлшеу құралдарын дайындауда қолданылады.

2.2. Тоңазытқыш қондырғылары мен циклдардың жіктелуі

Суықты алу негізіне Карноның термодинамикалық циклы жатады.

Жылуды тасымалдауға арналған қондырғылар келесі ерекшеліктері арқылы жіктеледі: жұмыс істеу принципі бойынша, тасымалдау сипаттамасына байланысты, процестің уақыт бойынша өту сипаттамасы бойынша.

Жұмыс істеу принципі бойынша жылуды тасымалдауға арналған қондырғыларды екі түрге бөлуге болады: термомеханикалық жүйелер, онда жұмыс істеу принципі қандай да бір жұмыс денесінің қысымдарының жоғарылау және төмендеу процестерін пайдалануға негізделеді, және электромагниттік жүйелер, мұнда жұмыс істеу принципі тұрақты немесе айнымалы электрлік немесе магниттік өрістерді пайдалануға негізделген.

Бірінші түрдегі қондырғылар аса көп таралған, жұмыс денесінің қысымының арту әдісіне байланысты үш топқа бөлінеді: компрессорлық, сорбциялық және ағыншалы.

Компрессорлық қондырғылардың жұмыс істеу принципі жұмыс агентіне механикалық немесе термохимиялық әсер ету арқылы қысымды арттыруға негізделген.

Компрессорлық қондырғылар булы-сұйықты, газды-сұйықты және газдық болып бөлінеді.

Сурет 12. TS диаграммасындағы заттардың мүмкін агрегаттық күйі

Булы және газды сұйықтық қондырғыларда агенттің агрегаттық күйі жұмыс барысында өзгереді (сығылған агент конденсацияланады және ұлғайтылған агент буланады).

Бірінші жағдайда сығылу бу аймағында критикалық тепмературадан төмен болғанда, екінші жағдайда критикалық температурадан айтарлықтай асқан кезде болады.

Газды қондырғыларда агенттің агрегаттық күйі жұмыс барысында өзгермейді, өйткені жұмыс денесінің температурасы барлық жерде t>t_к болады. 12-суретте TS диаграммасындағы заттардың мүмкін агрегаттық күйі көрсетілген.

13-суретте TS диаграммаларда компрессорлық циклдың бу сұйықтық, газды сұйықтық және газды аймақтарының суреті көрсетілген.

Компрессорлық қондырғыларда электрлік немесе механикалық энергия пайдаланылады. Кейбір жағдайда, мысалы, термомеханикалық компрессорларда сығылу температурасы қ.о температурасы үлкен болғанда

t_c>t_қ.о, жылу ағынын пайдалану арқылы жүзеге асырылады.

Сурет 13. Компрессорлық циклдардағы булы-сұйықтық (а), газды-сұйықтық (б), газды (в) аймақтар

Сорбциялық қондырғылардың жұмыс істеу принципі – жұмыс агентінің термохимиялық реакция сіңіру кезінде жұмыс денесінің қысымын арттыруға негізделеді. Бұл қондырғыларда будың қасиетінің температуралардың адиабатты ұлғаю кезінде немесе сәйкесінше жылуды изотермиялық жағдайда сіңіруге және шығару (десорбция) процесс арқылы. Механикалық немесе термомеханикалық сығымдағыштармен (компрессорлармен) жасалатын сору және айдау процессі жүргізіледі.

Сығымдаудың мұндай әдісін термохимиялық деп атайды. Сорбциялық қондырғылар абсорбциялық және адсорбциялық деп бөлінеді. Абсорбциялық қондырғыларда сіңіру, сұйық және бу фазаларының шекараларында массаның ішінде орындалады. Адсорбциялық қондырғыларда сіңіру процессі қатты денелердің адсорбценттерінің сыртқы бетінде таралумен жүзеге асырылады. Сорбциялық қондырғыларда жылуды тасымалдау процессі температурасы қ.о-ң температурасынан үлкен болғандағы t>t_к.о , жылу ағынының ішкі энергиясы пайдаланылады. Осындай қондырғылардағы жұмыс агентінің агрегаттық күйі былай өзгереді. Мұнда олар булы сұйықты немесе газды сұйықты болып келеді. Соңғы уақытта газбен жұмыс істейтін, мысалы, сутектік абсорбциялық қондырғылар пайда бола бастады

Ағыншалы қондырғылар жұмыс агентінің қысымын арттыруға арналған газдың немесе будың ағынының кинетикалық энергиясын қолдануға негізделеді. Будың немесе газдың ағыншасы соплодан үлкен жылдамдықпен шығып, нәтижесінде сору одан кейін жұмыс денесінің сығылуы жүретін эжектрлеуші құбылыс пайда болады. Ағыншалы қондырғылар жабық термодинамикалық жүйелер болып табылады, яғни олардың жұмыс денесі ашық және тұйық термодинамикалық циклде жүзеге асырылады.