Процессы получения низких температур.

 

Охлаждение —процесс понижения температуры тела.Для охлаждения нужно иметьдва тела: охлаждаемое и охлаждающее — источник низкой температуры. Охлаждение продолжается, пока между телами происходит теплообмен. Источник низкой темпера-туры должен функционировать постоянно, так как охлаждение следует осуществлять непрерывно. Это возможно при достаточно большом запасе охлаждающего вещества или если постоянно восстанавливается его первоначальное состояние. Последнее ши-роко применяется в холодильной технике с использованием различных холодильных машин.

 

Различают естественное и искусственное охлаждение. При естественном охлаждении теплота от более нагретого тела переходит к менее нагретому (среде). Искусственное охлаждение предполагает получение температуры охлаждаемой среды ниже темпера-туры окружающей среды. Низкие температуры получают путем физических процессов, при протекании которых происходит поглощение извне теплоты без повышения темпе-ратуры тела.

К основным физическим процессам, сопровождающимся поглощением теплоты, отно-сятся фазовые переходы вещества: плавление или таяние при переходе тела из твердого состояния в жидкое; испарение или кипение при переходе тела из жидкого состояния в парообразное; сублимация или возгонка при переходе тела из твердого состояния непо-средственно в газообразное.

Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических процессах, например адиабатическом дросселировании газа с начальной температурой меньшей, чем температура верхней точки инверсии; адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы; вихревом эффекте.

Фазовый переход вещества при плавлении или таянии, испарении или кипении, субли-мации или возгонке происходит при соответствующих температурах и давлениях с по-глощением значительного количества теплоты.

Для получения низких температур (но не ниже 0°С) может быть применен водный лед, который в условиях атмосферного давления плавится при 0°С и имеет сравнительно большую величину удельной теплоты плавления — 335 кДж/кг. Если давление ниже атмосферного, сублимация водного льда происходит при температуре ниже 0°С, что используют в сублимационной сушке пищевых продуктов.

Более низкие температуры плавления можно получить, смешивая лед с некоторыми со-лями, например с хлоридом кальция.

Более широко распространено получение низких температур с использованием процес-са кипения. С помощью одного вещества можно получить определенный интервал тем-ператур, поскольку температура его кипения зависит от давления: с уменьшением дав-ления температура кипения понижается, и наоборот. С помощью различных веществ можно получать низкие температуры в широком диапазоне. Процесс испарения ис-пользуют, например, для понижения температуры воды или влажных поверхностей.

Адиабатическим дросселированием называют процесс необратимого перехода газа(жидкости) с высокого давления на низкое (расширение) при прохождении через суже-

 

 

ние поперечного сечения (перегородка с отверстием, пористая перегородка и т.д.) без совершения внешней работы и отдачи или получения теплоты.

 

Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окружающей средой практи-чески не происходит и энтальпия (теплосодержание) вещества не изменяется. Полезная работа не совершается, так как работа проталкивания переходит в теплоту трения. Эн-тальпия — это функция состояния, равная сумме внутренней и потенциальной энергии давления (PV), где Р — давление; V — объем.

При адиабатическом дросселировании реального вещества в отличие от идеального вследствие изменения внутренней энергии производится работа против сил взаимодей-ствия молекул. Это приводит к изменению температуры вещества. Изменение темпера-туры реального вещества при дросселировании называется эффектом Джоуля — Томсона.

В зависимости от начального состояния реального вещества перед дросселем темпера-тура его при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться и оставаться без из-менения.

Точка, соответствующая начальному состоянию вещества, в которой его температура при адиабатическом дросселировании не изменяется и, следовательно, изменяется знак температурного эффекта, называется точкой инверсии, а температура, соответ-ствующая этой точке, — температурой инверсии. Точку инверсии можно определить, построив в координатах TV (температура — объем вещества) изобару и проведя к ней касательную из начала координат. При начальных температурах газа ниже температуры инверсии он при дросселировании будет охлаждаться, выше — нагреваться.

Большинство газов, за исключением водорода и гелия, имеют довольно высокую тем-пературу инверсии (600°С и выше), поэтому практически для всех газообразных ве-ществ в области, близкой к критической, адиабатическое дросселирование приводит к понижению температуры.

 

При адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы получение низких температур возможно при любом его состоянии, так как температура изменяет-ся в сторону понижения. В отличие от адиабатического дросселирования в этом случае эффект возможен и для идеального газа, при этом понижение температуры в процессе адиабатического расширения при прочих равных условиях бывает более значительным, чем при дросселировании.

Адиабатическое расширение газа в детандере (расширителе) используют для получения криогенных температур.

Вихревой эффект достигается в вихревых трубах при подаче в них по тангенциальномувводу сжатого воздуха, имеющего температуру окружающей среды. Скорость враще-ния воздуха в трубе обратно пропорциональна ее радиусу. Центральная часть вращаю-щегося потока имеет большую скорость, чем периферийная, вследствие чего темпера-тура воздуха у стенок трубы выше, а в центре ниже, чем температура подаваемого в трубу воздуха. Можно получить потоки воздуха с низкой и высокой температурами, если разделить центральную и периферийную части потока. Это явление называется эффектом Ранка.

Таким образом, через определенный физический процесс можно получить источник требуемой низкой температуры, необходимый для охлаждения тела.

Низкие температуры (от температур окружающей среды до близких к абсолютному ну-лю) условно подразделяют на область умеренного холода (до -103 °С), глубокого охла-ждения (от -103 до -203 ⁰С), криогенные (от -203 до -272,7 °С) и сверхнизкие (от -272,7

 

до -272,9992 °С).

 

Способы охлаждения

 

 

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

 

В безмашинных способах охлаждения используются готовые хладоносители (водный, эвтектический и сухой лед, сжиженные газы, воздух). Установки, работающие на гото-вых 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 хла-доносителями и поддержанием гигиены в охлаждаемых помещениях.

Недостатки, свойственные безмашинным способам охлаждения, отсутствуют у машин-ных способов, когда энергия (механическая, тепловая, электрическая) поступает извне. По виду затрачиваемой энергии холодильные машины подразделяются на компресси-онные, теплоиспользующие и термоэлектрические. Компрессионные машины исполь-зуют механическую энергию; теплоиспользующие — тепловую от источников теплоты, температура которых выше окружающей среды; термоэлектрические — электриче-скую.

При охлаждении в компрессионных и теплоиспользующих машинах теплота перено-сится в результате совершаемого рабочим телом — холодильным агентом (хладаген-том) 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, заключающемся в том, что при пропускании постоян-ного электрического тока по замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных провод-ников или полупроводников, один из спаев нагревается (горячий спай), а другой охла-ждается (холодный спай). Для того чтобы холодный спай термоэлемента имел посто-янную низкую температуру и был источником холода, горячий спай нужно охлаждать.

 

В этом случае система представляет собой холодильный агрегат, в котором электриче-ский 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 (эффектив-ности вещества), определяющий максимальную разность температур горячего и холод-ного спаев. К достоинствам такого рода устройств можно отнести непосредственное использование электрической энергии для переноса теплоты без промежуточных ве-ществ 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 па-ровые и газовые.

В испарителе паровой холодильной машины происходит испарение рабочего тела при переходе к нему теплоты от охлаждаемого объекта, а в конденсаторе — его конденса-ция при переходе теплоты от рабочего тела в окружающую среду (в воздух или воду).

В качестве рабочего тела в паровых холодильных машинах используют аммиак и хла-доны — 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 механи-ческой работы компрессора, в абсорбционных, сорбционных и пароэжекторных — за счет затрат теплоты.

 

Для получения требуемых температур кипения и конденсации рабочего тела использу-ют одноступенчатые, многоступенчатые и каскадные паровые компрессионные маши-ны. Соответственно в одноступенчатых используют один, в многоступенчатых и кас-кадных — два компрессора и более, которые обеспечивают осуществление холодиль-ного цикла в каждой ступени машины. Для холодильной обработки и хранения пище-вых продуктов в охлаждаемых камерах используют преимущественно паровые ком-прессионные одно- и двухступенчатые холодильные машины.

 

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Естественное охлаждение.

 

2. Искусственное охлаждение.

3. Способы получение низких температур.

4. Адиабатическое дросселирование.

5. Эффект Ранка.

6. Термоэлектрический эффект.

7. Подразделение холодильных машин.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Основная

 

1. Расщепкин А.Н., Ермолаев В.А., Кемеровский Теплообменные аппараты низкотемпературной техники. [Электронный ресурс] 2012 URL: http://www.iprbookshop.ru/14393.html (Дата обращения: 23.09.2013).

 

2. Буянов О.Н.,Воробьёва Н.Н.,Усов А.В. Холодильное технологическое обору-

дование [Электронный ресурс] 2009 URL: http://www.iprbookshop.ru/14401.html

(Дата обращения: 23.09.2013).

 

Дополнительная

 

1. Большаков С.А. Холодильная техника и технология продуктов питания. – М.: Изда-тельский центр «Академия», 2003. – 304 с.

2. Курылев Е.С., Оносовский В.В., Румянцев Ю.Д. Холодильные установки. – СПб.: Политехника, 2002. – 576 с.

3. Куцакова В.Е. и др. Примеры и задачи по холодильной технологии пищевых про-

дуктов. – М.: Колосс, 2003. – 240 с.

 

 

Лекция 2