Способы искусственного охлаждения

Для получения холода используются безмашинные и машинные способы охлаждения. Безмашинные способы охлаждения основываются на плавлении, испарении, сублимации.

В безмашинных способах охлаждения используются готовые хладоносители (водный, эвтектический и сухой лед, сжиженные газы, воздух). Установки, работающие на готовых хладоносителях, просты по устройству и, следовательно, наиболее доступны, но они имеют существенные недостатки: полную зависимость от возможности и условий получения хладоносителей; большой объем грузовых работ, связанных с зарядкой хладоносителями и поддержанием гигиены в охлаждаемых помещениях.

Фазовые превращения веществ

Каждое вещество в зависимости от внешних условий – температуры и давления – может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. При подводе или отводе теплоты меняется форма связи между молекулами, вызывая тем самым изменение вещества, т. е. происходит фазовое превращение. Для получения холода используют фазовые превращения, протекающие при низких температурах с поглощением теплоты из охлаждаемой среды. К ним относятся плавление, кипение и сублимация. Процесс перехода вещества из кристаллического состояния в жидкое с поглощением теплоты называют плавлением (например, при нагревании водного льда его температура повышается до температуры 0°С, дальнейшее нагревание ведет к его плавлению). Температура плавления зависит от вида тела и внешних условий (давления). Для каждого тела существует своя постоянная температура плавления, и, как уже отмечалось выше, для водного льда при атмосферном давлении она составляет 0°С. Этот способ искусственного охлаждения широко применяют на практике, в частности при охлаждении продуктов в бытовых холодильниках, на хладотранспорте и т. д. Процесс перехода жидкости в твердое состояние при постоянной температуре плавления называют отвердеванием. Данный процесс осуществляется при отводе теплоты от жидкости, когда температура жидкости снижается до температуры начала отвердевания, равной температуре плавления.

Более низкие температуры плавления получают при охлаждении льда солеными смесями, например смесью хлорида натрия со льдом. Это позволяет получить температуру –21,2 °С (при массовой доле соли 23,1 %).

Наиболее низкая температура для данных компонентов смеси (например, соль + вода) называется эвтектической или криогидратной. При данной постоянной температуре происходит кристаллизация смеси.

Эвтектические растворы применяют для охлаждения продуктов на автомобильном транспорте и т. д. Емкости с эвтектическими растворами называют зероторами или эвтектическими аккумуляторами.

Процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости при различных температурах, называют испарением. Данный процесс используют при испарении воды в водоохлаждающих устройствах (градирни, брызгательные бассейны или испарительные конденсаторы). При атмосферном давлении и температуре 0 °С скрытая теплота испарения воды составляет 2509 кДж/кг.

Процесс интенсивного парообразования, происходящий по всему объему жидкости в результате поглощения теплоты окружающей среды, называют кипением. При постоянном давлении температура кипения для данного вещества постоянна и зависит от давления паров над жидкостью. Уменьшение давления приводит к снижению температуры жидкости вплоть до ее замерзания. Процесс кипения жидкости при низкой температуре – один из основных в парокомпрессионных холодильных машинах, где кипит хладагент. Аппарат, в котором происходит кипение, называют испарителем. В испарителе осуществляется отвод теплоты от окружающей среды, а кипящая жидкость переходит в парообразное состояние.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости, взятой при температуре кипения, в пар, называют скрытой теплотой парообразования r или удельной теплотой парообразования. С повышением давления кипения жидкости скрытая теплота парообразования уменьшается.

Процесс перехода тела из твердого состояния в парообразное, минуя промежуточное жидкое состояние, называют сублимацией. В качестве рабочего тела для охлаждения объектов наиболее широко применяют твердый диоксид углерода СO₂ (сухой лед). Температура сублимации СО₂ при атмосферном давлении равна – 78,9°С, теплота сублимации – 574 кДж/кг.

Процесс превращения насыщенного пара в жидкость, сопровождающийся отводом выделяемой теплоты, называют конденсацией. Температура конденсации зависит от давления.

Недостатки, свойственные безмашинным способам охлаждения, отсутствуют у машинных способов, когда энергия (механическая, тепловая, электрическая) поступает извне. По виду затрачиваемой энергии холодильные машины подразделяются на компрессионные, теплоиспользующие и термоэлектрические. Компрессионные машины используют механическую энергию; теплоиспользующие – тепловую от источников теплоты, температура которых выше окружающей среды; термоэлектрические – электрическую. При охлаждении в компрессионных и теплоиспользующих машинах теплота переносится в результате совершаемого рабочим телом – холодильным агентом (хладагентом) обратного кругового процесса, а в термоэлектрических – при воздействии потока электронов на атомы вещества. Охлаждение в термоэлектрических машинах основано на термоэлектрическом эффекте, известном как эффект Пельтье.

Охлаждение дросселированием (эффект Джоуля – Томсона).

Одним из основных процессов, применяемых для получения умеренно низких (в парокомпрессионных холодильных машинах) и низких температур, является дросселирование, заключающееся в снижении давления и температуры газа (жидкости) при его прохождении через суженное отверстие (капиллярную трубку, диафрагму, дроссель, пористую среду и т. д.). В этом процессе не совершаются внешняя работа и теплообмен с окружающей средой, т. е. энтальпия остается постоянной. В суженном сечении скорость потока возрастает, внутренняя энергия расходуется на преодоление внутреннего трения между молекулами, что приводит к испарению части жидкости и снижению температуры потока.

Охлаждение расширением газа с совершением внешней работы.

Процесс основан на адиабатном расширении сжатого газа с одновременным понижением температуры.

О хлаждение с помощью вихревого эффекта (эффект Ранка – Хильша).

С помощью специального устройства – вихревой трубы (см. рис. 1) французский инженер Ранк в 1931 г. предложил использовать вихревой Рис. 1 Схема вихревой трубы эффект, заключающийся в разделении теплого 1 – дроссельный вентиль; 2 – сопло; 3 – диафрагма

холодного воздуха в закрученном потоке внутри трубы. Сжатый в компрессоре и затем

охлажденный до температуры окружающей среды to.cp воздух поступает к соплу 2, откуда после расширения выходит с большой скоростью. В результате образуется свободный вихрь, у которого угловая скорость вращения мала на периферии и велика вблизи оси трубы. При движении к дроссельному вентилю 1 поток газа вследствие воздействия сил трения между газовыми слоями приобретает почти постоянную скорость вращения. В начальный момент процесса разделения газа угловая скорость вращения частиц на некотором расстоянии от оси трубы больше, чем в последующий момент. Вследствие этого образуется избыток кинетической энергии, передаваемый внешним газовым слоям. Температура внешних слоев повышается, а внутренних понижается. В результате внешние слои газа выходят нагретыми до температуры t_H через дроссельный вентиль 1, а внутренние – через отверстие в диафрагме 3 охлажденными до t_К.

Преимущества данного метода охлаждения: простота конструкции вихревой трубы и надежность ее работы; недостаток: значительный расход электроэнергии.

Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье).

Эффект Пельтье (1839 г.) основан на пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух различных проводников. При этом один из спаев нагревается, а другой охлаждается. Поглощенное или выделенное количество теплоты Q пропорционально силе тока I и времени T_.

Q = ПIT,

где П – коэффициент Пельтье, зависящий от физических свойств применяемых материалов и температуры спаев. Эффект термоэлектрического охлаждения долгое время не находил практического применения из-за отсутствия эффективных материалов для термоэлементов. Однако благодаря разработкам российских ученых во главе с А. Ф. Иоффе, когда стали известны свойства полупроводников, появилась возможность практического использования термоэлектрического охлаждения. Термоэлектрический эффект используют в электрической цепи, состоящей из двух полупроводников, обладающих дырочной (р-типа) и электронной (n-типа) проводимостью. Если к полупроводнику с электронной проводимостью подключить положительный полюс источника постоянного тока (см. рис. 2), то в месте спая ветвей температура понижается, а на противоположной стороне термоэлемента возрастает.

Рис. 2 Схема термоэлектрического охлаждения:

а – термоэлемент; б – термобатарея; 1,2 – полупроводники; 3 – спай термоэлементов;

Q₀ – поглощаемая теплота; Q_r – выделяемая теплота; t_х и t_r – температуры

соответственно охлаждения и нагревания

Понижение температуры вызвано тем, что движущиеся по ветви термоэлемента электроны под воздействием электрического поля переходят в новое состояние с более высокой энергией. При этом энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей элемента в местах их сопряжения. При обратном направлении движения тока электроны переходят на более низкий энергетический уровень и отдают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спай термоэлемента.

Для того чтобы холодный спай термоэлемента имел постоянную низкую температуру и был источником холода, горячий спай нужно охлаждать. В этом случае система представляет собой холодильный агрегат, в котором электрический ток переносит энергию от холодного спая термоэлемента к горячему. Количество перенесенной энергии пропорционально силе тока в цепи термоэлемента. Изменение полярности электрического тока приводит к перемене мест холодного и горячего спаев. Основной показатель качества термоэлемента – коэффициент добротности (эффективности вещества), определяющий максимальную разность температур горячего и холодного спаев. К достоинствам такого рода устройств можно отнести непосредственное использование электрической энергии для переноса теплоты без промежуточных веществ и механизмов; бесшумность и автономность работы; компактность и простоту автоматизации и обслуживания. Однако они значительно дороже других холодильных машин. В зависимости от вида рабочего тела (холодильного агента) холодильные машины, в основе принципа действия которых лежит обратный цикл Карно, подразделяют на паровые и газовые. В испарителе паровой холодильной машины происходит испарение рабочего тела при переходе к нему теплоты от охлаждаемого объекта, а в конденсаторе – его конденсация при переходе теплоты от рабочего тела в окружающую среду (в воздух или воду). В качестве рабочего тела в паровых холодильных машинах используют аммиак и хладоны – фтористые и хлористые производные предельных углеводородов, в газовых – воздух. В зависимости от способа подачи рабочего тела в конденсатор холодильные машины подразделяют на компрессионные, абсорбционные, сорбционные и пароэжекторные. В компрессионных холодильных машинах рабочий цикл совершается за счет механической работы компрессора, в абсорбционных, сорбционных и пароэжекторных – за счет затрат теплоты. Для получения требуемых температур кипения и конденсации рабочего тела используют одноступенчатые, многоступенчатые и каскадные паровые компрессионные машины. Соответственно в одноступенчатых используют один, в многоступенчатых и каскадных – два компрессора и более, которые обеспечивают осуществление холодильного цикла в каждой ступени машины. Для холодильной обработки и хранения пищевых продуктов в охлаждаемых камерах используют преимущественно паровые компрессионные одно- и двухступенчатые холодильные машины.