Тема 8. Способы получения искусственного холода. Обратные термодинамические циклы. Принцип действия холодильных машин.

Лекция 1. Физические принципы получения низких температур.

Для получения низких температур используются физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К числу таких процессов относятся: плавление; кипение (испарение); сублимация; адиабатическое дросселирование газа (эффект Джоуля – Томсона); адиабатическое расширение газа с отдачей полезной внешней работы; вихревой эффект (эффект Ранка); термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).

Рабочем веществом в процессе плавления чаще всего является водный лед, который тает при температуре 0^оС и имеет относительно большую удельную теплоту плавления 335 кДж/кг. Можно получить температуру плавления - 55^оС смешивая лед с хлоридом кальция массовой концентрацией 29,9 %.

Получение низких температур в результате использования процесса кипения нашло наибольшее применение. Так как температура кипения зависит от давления то с помощью одного вещества можно получить широкий интервал низких температур.

В процессе испарения источником низкой температуры может быть твердая углекислота (сухой лед), которая при атмосферном давлении имеет температуру сублимации – 78,5 ^оС и удельную теплоту 574 кДж/кг.

Дросселированием газа (эффект Джоуля – Томсона) называют понижение температуры рабочего вещества при протекании его через сужение в канале или какое-либо местное сопротивление.

Получение низких температур с помощью адиабатического расширения газа с отдачей полезной внешней работы возможно при любом состоянии газа, так как температура изменяется в сторону понижения. Адиабатическое расширение газа в детандере применяют для получения криогенных температур.

Вихревой эффект не получил широкого распространения из-за больших необратимых потерь при расширении воздуха. Но при периодической потребности в охлаждении малой холодопроизводительности выгоднее применять простую и надежную вихревую трубу рис. 21.

А

1 2 3 4 А - А

А

Рис. 21. Схема вихревой трубы.

1 – сопло; 2 – труба; 3 – диафрагма; 4 – дроссель.

Термоэлектрический эффект заключается в том, что при прохождении постоянного тока через цепь двух разнородных материалов, один из спаев начинает нагреваться а другой охлаждаться. Температура спая снижается в следствии того, что под воздействием электрического поля электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента (m) в другую (n), переходят в новое состояние с более высокой энергией. Энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, обираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжений, в результате чего этот спай (Х) охлаждается. При переходе с более высокого энергетического уровня (ветвь n) на низкий энергетический уровень (ветвь m) электроны отдают часть своей энергии атомам спая (Г) термоэлемента, который начинает нагреваться рис.22.

Элемент постоянного тока

Окружающая среда

Горячий спай

n m

Х олодный спай

Источник низкой температуры

Рис. 22. Схема термоэлемента.

Лекция 2.Обратные термодинамические циклы.

В обратных циклах всегда существует два источника теплоты: источник низкой температуры (ИНТ) и источник высокой температуры (ИВТ). ИНТ – это тело или среда, от которых теплота отводится. К ИНТ можно отнести охлаждаемый продукт, воздух в охлаждаемой камере, промежуточный теплоноситель.

Перенос теплоты от ИНТ к ИВТ невозможно без совершения работы или затраты энергии. Для осуществления такого переноса необходимо рабочее вещество, которое осуществляет обратный цикл за счет механической или другого вида энергии. Различают три вида обратных циклов: холодильный цикл, цикл теплового насоса, комбинированный цикл.

Холодильный цикл показан на рис.23 а. В процессе 4 – 1 теплота q_o подводится к рабочему веществу от ИНТ, в процессе 1 – 2 рабочее вещество сжимается и к нему тепловой эквивалент работы компрессора l_к. В процессе 2 – 3 от рабочего вещества отводится в окружающую среду теплота q, в процессе 3 – 4 рабочее вещество расширяется с совершением работы l_р. Согласно первому закону термодинамики работа, необходимая для совершения цикла равна:

l_ц = q - q_o (76)

Так как в компрессоре работа затрачивается, а при расширении ее можно получить, то работа цикла равна:

l_ц = l_к - l_р (77)

Т а б в

3 2 3 2

3 2 4 1 0 5

Т_ос

1 1

4 4

S

Рис. 23. Обратные циклы:

а – холодильный; б – теплового насоса; в – комбинированный.

Для определения энергетической эффективности вводится холодильный коэффициент, который определяет количество отводимой от источника теплоты на единицу затраченной в цикле работы:

ε = (78)

Холодильный коэффициент может меняться от +∞ до 0.

Цикл, в котором теплота отводится из окружающей среды и передается ИВТ, называется тепловым насосом, и используется для отопления. В процессе 4 – 1 рис. 23 б к рабочему веществу подводится от окружающей среды теплота q_o. В процессе 1 – 2 рабочее вещество воспринимает эквивалент работы l_к, вследствие чего его температура повышается. Теплота q_o и эквивалент работы l_к передаются в процессе 2 – 3 ИВТ. Эта теплота служит для отопления помещений. В процессе 3 – 4 рабочее вещество расширяется, совершая работу l_р. Энергетическая эффективность теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом μ, который определяет количество теплоты, подводимой к ИВТ, на единицу затраченной в цикле работы:

μ = (79)

Между холодильным и отопительным коэффициентами существует связь:

μ = = = ε + 1 (80)

Отопительный коэффициент меняется от 1 до + ∞.

Комбинированный цикл – это цикл холодильной машины, при котором теплота от ИНТ передается ИВТ рис. 23 в. В этом цикле в процессе 1 – 4 теплота q_o подводится к рабочему веществу; в процессе 1 – 2 рабочее вещество получает тепловой эквивалент работы l_к; в процессе 2 – 3 теплота q отводится к ИВТ; далее в процессе 3 – 4 рабочее вещество расширяется, совершая при этом работу l_р. Энергетическая эффективность такого цикла определяется двумя коэффициентами ε и μ:

ε = ; μ = (81)

где l_ц.х и l_ц.т – соответственно работа циклов 1-5-0-4 и 5-2-3-0.