4. Способы получения искусственного холода
Существует несколько способов получения искусственного холода. Самый простой из них – охлаждение при помощи льда или снега, таяние которых сопровождается поглощением довольно большого количества тепла – 80 ккал/кг (335 кgж/кг), при атмосферном давлении лед и снег тают при 0о С. Практически в помещении, охлаждаемом льдом или снегом, из-за притока тепла извне температуру воздуха удается поддерживать лишь на уровне 5-8о С.
Более низкие температуры можно получить, применяя для охлаждения смесь льда или снега с различными солями. В этом случае к скрытой теплоте, поглощаемой льдом или снегом, присоединяется скрытая теплота, поглощаемая солью при ее растворении в воде, образовавшейся в смеси; это ведет к понижению температуры смеси.
Искусственного охлаждения можно достигнуть также, если смешать лед или снег с разведенными кислотами. Например, смесь из 7 частей снега или льда и 4 частей разведенной азотной кислоты имеет температуру -35о С.
Перечисленные выше способы получения искусственного холода имеют существенные недостатки: трудоемкость процессов заготовки льда или снега и соли, их доставки и перемешивания, трудность автоматического регулирования, ограниченные температурные возможности.
Охлаждать тела можно также сухим льдом (твердой углекислотой). Воспринимая тепло от охлаждаемого тела, сухой лед сублимирует, т.е. переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Температура сублимации сухого льда при атмосферном давлении -78,9о С; при этом каждый килограмм его поглощает из окружающей среды 137 ккал тепла.
Машинный способ получения искусственного холода имеет значительные преимущества: легкость автоматизации, значительное облегчение обслуживания холодильной установки, возможность получения более низких температур в охлаждаемых объектах.
Работа холодильной машины основана на различных принципах, самым распространенным из которых в настоящее время является кипение (испарение) жидких тел.
Температуры кипения и конденсации жидкости являются функцией давления; причем чем ниже давление, тем ниже температура кипения. В качестве хладоагентов часто используют вещества, которые при высоком давлении и при температуре окружающей среды могут быть превращены в жидкость. Испарение этой жидкости при низком давлении происходит при температуре ниже температуры окружающей среды.
К наиболее распространенным хладоагентам относятся аммиак, углекислота, сернистый ангидрид, пропан, фреоны.
Ниже указаны температуры кипения (испарения) при атмосферном давлении веществ, используемых в качестве хладагентов (К):
Аммиак . . . . . . . . . . . . . . . 239,9 Этилен . . . . . . . . . . . . 168,0
Углекислота . . . . . . . . . . . 194,7 Метан . . . . . . . . . . . . 111,7
Сернистый ангидрид . . . . 263,1 Кислород . . . . . . . . . 90,2
Хлористый метил . . . . . 249,5 Азот . . . . . . . . . . . . . . 77,4
Фреон-22 . . . . . . . . . . . . . 243,8
Пониженное давление, необходимое для создания низкой температуры кипения, поддерживают путем отсасывания образующихся паров компрессором. При кипении (испарении) все тела поглощают из окружающей среды значительное количество тепла, в результате чего температура в среде понижается. Изменение внутренней энергии вещества при испарении происходит в результате увеличения его объема и кинетической энергии молекул этого вещества при переходе из жидкого состояния в состояние пара.
В основу машинного способа охлаждения может быть положено также адиабатическое (без подвода и отвода тепла) расширение сжатого газа. При расширении сжатого газа температура его значительно понижается, так как внешняя работа в этом случае совершается за счет внутренней энергии газа. На этом принципе и основана работа воздушных холодильных машин, расширительных машин поршневого, турбинного или роторного типов.
Искусственное охлаждение можно получить, используя десорбцию газов из растворов или твердых тел. Многие газы хорошо растворяются в жидкостях, например аммиак в воде, углекислота в спирте. Растворимость газов в жидкостях возрастает с увеличением давления, пропорционально этому давлению.
Выделение газа из жидкости, как и испарение, сопровождается резким увеличением объема и отводом тепла растворения. Этот процесс используется в циклах вводно-аммиачных абсорбционных холодильных машин и в разомкнутых холодильных системах с использованием растворов углекислоты в этиловом спирте.
Пористые твердые тела с развитой поверхностью, называемые адсорбентами, поглощают газы. Адсорбция газов твердыми телами увеличивается с ростом давления. При снижении давления происходит десорбция газа, сопровождающаяся отводом тепла. В холодильной практике используют процесс поглощения аммиака хлористым кальцием и силикагелем.
Можно получить низкие температуры термоэлектрическим способом (эффект Пельтье). Термоэлектрические явления обусловлены наличием связи между тепловыми и электрическими процессами. Если к термопаре (замкнутой цепи из двух разнородных проводников) подвести постоянный ток, то один из спаев будет нагреваться, другой охлаждаться. При перемене направления тока изменится и нагрев спаев – нагретый будет охлаждаться, а холодный нагреваться. Эффект Пельтье обусловлен особенностями прохождения потока электронов через поверхность спая разнородных металлов. Это явление было открыто еще в 1834 г., но практического значения долгое время не имело.
В настоящее время эффект Пельтье применяется в домашних электрохолодильниках и комнатных кондиционерах с термопарами из различных полупроводников.
В
последнее время получили распространение
полупроводниковые термоэлементы. На
рис.2-10 показан такой элемент, включающий
полупроводники 1 и 2 и медные пластины
3.
Рис. 2-31. Полупроводниковый теплоэлемент:
а – схема; б – термоэлемент; в – зависимость охлаждающего эффекта Tmax от температуры горячего спая; 1, 2 – полупроводники; 3 – медные пластины
Полупроводники (окислы металлов, сернистые соединения, химические соединения – германий, кремний, теллур, селен, а также их соединения) – это обширный класс веществ, занимающих по электропроводности промежуточное положение между проводниками и изоляторами.
Магнито-калорический эффект, основанный на размагничивании твердых тел (парамагнитных веществ), используют только при необходимости получения температур, близких к абсолютному нулю.
Вихревой способ (эффект Ранка). На рисунке 2-32 приведена конструктивная схема вихревой трубы Ранка, которая состоит из корпуса 3 с соплом 4 и диафрагмой 5, трубок холодного 6 и теплого 2 потоков и управляющего дросселя 1.
Рис. 2-32. Трубка Ранка
Вихревая труба работает следующим образом. Если газ с температурой Т1 и давлением Р1 выпустить тангенциально в цилиндрическую трубку через сопло, в котором газ расширится до давления Р2 и разгонится до скорости W, то в этой трубке, вращаясь, поток разделится на два потока с разными температурами Тх и Тг, причем Тх Т1 Тг. Холодный поток с температурой Тх через диафрагму 5 уходит в трубку 6, а теплый поток с температурой Тг отводится через трубку 2 и дроссель 1.
5. Холодильные машины
В промышленности нашли применение три типа холодильных машин: компрессионные, абсорбционные и пароэжекторные. Кроме того, для условий малой холодопроизводительности при наличии сжатого воздуха в ряде случаев применяются вихревые трубы, использующие эффект Ранка-Хильша.
Компрессоры компрессионных холодильных машин разделяют на следующие типы: а) поршневые с прямолинейно-возвратным движением поршня; б) центробежные или турбокомпрессоры; в) ротационные с вращающимся или катящимся поршнем.
Самыми распространенными и достигшими в конструктивном отношении высокой степени совершенства и экономичности являются холодильные машины с поршневыми компрессорами, которые различаются: а) по холодильному агенту (NH3, Ф-12, Ф-22, СО2 и др.); б) по числу ступеней сжатия (одноступенчатые, двухступенчатые; в) по числу цилиндров (одноцилиндровые, двухцилиндровые); г) по расположению осей цилиндра (горизонтальные, вертикальные).
Турбокомпрессоры при работе с общепринятыми хладоагентами успешно конкурируют с поршневыми только при больших холодопроизводительностях, при которых они обладают достаточно высоким к.п.д., и при низких температурах испарения (от -30 до -100оС
В абсорбционных холодильных машинах в качестве рабочих веществ используют растворы, состоящие из двух компонентов с резко различными температурами кипения при одинаковом давлении. Собственно хладоагентом является компонент с низкой температурой кипения. Второй компонент со значительно более высокой температурой кипения называется абсорбентом. Чаще всего в качестве хладоагента применяют аммиак, а в качестве абсорбента – воду, которая обладает свойством поглощать или абсорбировать значительные объемы паров аммиака.
В пароэжекторных холодильных машинах для производства холода и поддержания температуры охлаждаемых объектов ниже температуры окружающей среды используется испарение жидкостей. Как и во всех паровых холодильных машинах, в пароэжекторной машине хладагент (рабочее тело) совершает замкнутый цикл: испаряется в испарителе, отнимая тепло от охлаждаемого тела, и затем вновь переходит в жидкое состояние.