Питання для самоконтролю
1. В чому полягає призначення процесів охолодження?
2. За якими ознаками класифікують холодильні установки?
3. Назвіть область застосування холодильної технології.
Лекція 2 термодинаміка, як загальне вчення про енергетику
2.1 Фізичні основи одержання холоду
Як ми вже відзначали, для здійснення холодильного циклу досить мати в розпорядженні випарник, конденсатор, компресор і дросельний пристрій, які зображені на рис. 2.1.
ІІІ
F2
ІV
II
F1
I
Рис. 2.1. Принципова схема: Рис. 2.2. До визначення
І – випарник; ІІ – компресор; ІІІ – кипіння
конденсатор; IV – регулюючий вентиль
Насамперед розглянемо ті фізичні процеси, які супроводжують виробництво холоду.
Капніть на долоню невелику кількість рідини, яка легко випаро- вується, наприклад, ефір. У вас виникне відчуття холоду, тому що для свого випару ефір споживає тепло із зовнішнього середовища, яким у цьому випадку буде ваша шкіра. Відбувається перехід речовини з рідкого стану в газоподібний за рахунок поглинання тепла з зовнішнього середовища.
Розглянемо інший приклад. Нехай у вас на плиті закипів чайник з водою. З кухонного досвіду ви знаєте, що при кипінні води температура її не змінюється. За рахунок збільшення підведення тепла можна тільки прискорити процес кипіння, але не температуру. Вимкніть газ й кипіння припиниться. Висновок простий, для перетворення речовини з рідкого стану в пароподібний, необхідно підводити із зовнішнього середовища енергію у вигляді тепла.
Чи можна змінити температуру кипіння. Так, можна, шляхом зміни тиску. Підніміться із чайником на Еверест й ви побачите, що вода буде кипіти при більш низькій температурі. Це явище пояснюється наступним прикладом. Нехай на поверхню води, що не кипить та перебуває в прозорій ємності, діє атмосферний тиск (рис.2.2). У цьому випадку поверхня води перебуває під дією двох сполучених сил: внутрішньої сили F1 в рідині, що спрямована знизу вгору та прагне витиснути воду з посудини; друга – зовнішня сила F2, що, навпаки, прагне утримати воду всередині посудини. Якщо ці протилежно спрямовані сили врівноважені (рівні), то в посудині нічого не від- будеться. Для виводу такої системи з рівноваги необхідно порушити взаємну нейтралізацію сил. Це можна зробити двома способами: підігрівом води або зниженням тиску на поверхні води. У першому випадку, в результаті підведення енергії у вигляді тепла, сила F1 стає більше сили F2 й зовнішня сила не зможе утримувати воду в посудині, у наслідок чого, вода почне випаровуватися (кипіти). У другому випадку, у результаті вакуумування сила F2 стає менше сили F1, що, аналогічно першому випадку, приведе до випару води [8].
У холодильній установці здобувають користь із розглянутого фізич- ного явища, змушуючи циркулювати в пристрої, названому випарником, рідкий холодильний агент. Перетворюючись у пару, цей холодильний агент поглинає тепло з камери, у якій перебуває випарник із циркулю- ючою рідиною, і тим самим підтримує низьку температуру в камері.
Розглянемо співвідношення між температурою й тиском у закритій системі, якою є холодильний контур. При зростанні температури невелика кількість холодильного агента випарується, що приведе до зниження рівня рідини у випарнику й невеликому приросту обсягу пари. Тому що для розміщення обсягу пари, що утворилася, потрібен простір приблизно в 30 разів більше, ніж обсяг рідини, що випарувалася, отже пара в посудині стиснеться й тиск у ньому підвищиться. Наступне підвищення температури приведе до такого ж результату. Зі зростом тиску одночасно росте зовнішня сила F2, і так доти, поки не встано- виться рівновага сил F1 та F2.
Отже, у замкненій системі стан суміші рідини й пари, отриманої з неї (її називають насиченою парою), підкоряється дуже точному співвідношенню між температурою рідини й тиском пари, що залежить тільки від природи рідини, тобто кожному тиску чітко відповідає своя температура.
Підіб’ємо підсумок: температура паротворення залежить від тиску насиченої пари цієї рідини (холодильного агенту), що дорівнює тиску на її поверхні. Таким чином, підбираючи цей тиск, можна змусити холодоагент перетворюватися на пару при будь якій температурі. Тиск легко може бути визначено, наприклад, по таблицях для даного холодоагенту, якщо відома температура.
Як тільки рідкий холодоагент перетвориться на пару, процес відводу теплоти від охолоджуваного об’єкта припиниться. Щоб холодоагент міг продовжувати витягати тепло з охолоджуваного об’єму, необхідно перевести його в рідкий стан і повернути у випарник. Цю проблему можна вирішити двома способами: або викинути газоподібний холодоагент у навколишнє середовище й направити у випарник рідкий холодоагент із резервуара, або створити пристрій, що дозволить знову використати газоподібний холодоагент, попередньо видаливши з нього тепло, отримане у випарнику, а значить перевести його з газоподібного стану в рідкий. Перший спосіб використовувати незручно через забруднення навколишнього середовища й високу вартість сировини, отже вибирають друге рішення. Коли холодоагент перебуває в газо- подібному стані, його направляють у пристрій, що називається конденсатором. У конденсаторі він віддає тепло, отримане при випарі, охолоджуючому середовищу (воді, повітрю) і конденсується, перехо- дячи з газоподібного стану в рідкий.
Очевидно, що для віддачі теплоти в процесі конденсації температура навколишнього середовища повинна бути нижча на кілька градусів температури конденсації. В ідеалі було б добре, щоб ця температура була нижче температури кипіння. Однак, температура води або повітря, які використовують для охолодження пари, залежить найчастіше від параметрів, значення яких не можна обрати за вланим бажанням. Наприклад, температура повітря на вашій кухні, де звичайно знаходиться холодильник, навряд чи може бути нижче 20 0С. Але ми вже знаємо, що як температура кипіння, так і температура конденсації прямо залежать від тиску. Отже, піднявши тиск газоподібного холодоагенту, можна змусити його конденсуватися при температурі навколишнього середовища.
Для цієї мети, в ланцюзі між випарником і конденсатором, передбачений компресор, що дозволяє перейти від тиску випару до більш високого тиску конденсації. Проходячи крізь компресор, холодоагент не змінює свого агрегатного стану. Підвищуються тиск та температура. Відповідно до другого початку термодинаміки, про який поговоримо пізніше, перехід холодоагенту з низького рівня температури на рівень підвищеної температури (температури вище навколишнього середовища) може відбутися тільки за допомогою роботи компресора. Слід зазначити, що підвищення температури не є завданням компресора, тому що насамперед нам потрібно, щоб компресор підняв тиск пари холодоагенту до такої величини, щоб їхня конденсація відбулася при обраній температурі навколишнього середовища.
У такий спосіб ми домоглися переходу холодоагенту з газоподіб- ного стану в рідкий, при цьому конденсуючись, він буде кипіти при тиску, який переважає тиск випару. Тепер наше завдання перевести його у випарник в киплячому стані, але при температурі випару. Для цього після конденсатора встановлюється регулюючий вентиль, у якому відбувається різке зниження тиску; від тиску конденсації до тиску випару. Це падіння тиску, або розширення, супроводжується частковим паротворенням рідкого холодоагенту й зниженням його температури до температури кипіння. Зниження температури відбувається у зв'язку з тим, що при розширенні спостерігається часткове паротворення рідкого холодоагенту, при цьому тепло, необхідне для забезпечення цього паротворення надходить не від зовнішнього середовища, а береться від самого холодоагенту.
Коли холодоагент повністю випарується він знову надійде в ком- пресор і цикл повториться.
З вище викладеного зрозуміло, що для розуміння роботи холодильної установки необхідно знати основні закони термодинаміки й основні процеси, що відбуваються в ході холодильного циклу. Саме ці питання ми будемо розглядати на наступних сторінках.