49) Охлаждение при дросселировании рабочего тела

Дросселированием называют процесс понижения давления рабочего тела в жидком или газообразном состоянии без совершения полезной работы. На практике этот процесс реализуется при проходе жидкости или газа через отверстие небольшого размера или специальное устройство с небольшим проходным сечением из емкости с высоким давлением в емкость низкого давления. В качестве сужающего устройства может использоваться диафрагма с калиброванным отверстием, регулирующий вентиль или кран. При прохождении через узкое сечение (дросселировании) происходит расширение рабочего тела и уменьшение его внутренней энергии. При этом полезная работа в процессе дросселирования не совершается. При дросселировании реальных рабочих тел происходит понижение температуры (эффект Джоуля—Томпсона). Дросселирование жидкости сопровождается снижением давления и температуры кипения. Процесс дросселирования имеет меньшую эффективность, чем процесс расширения в детандере, но оборудование для дросселирования намного проще и существенно дешевле.

48) Сжатый природный газ (СПГ) - это вид топлива, который полностью может заменить бензин и дизельное топливо. Он получается в результате сжатия метаносодержащего природного газа, для чего требуется всего около 1% стандартного атмосферного давления. СПГ является чистым и экономным автомобильным топливом.. Основными преимуществами являются: экологичность и безопасность.

Сжатый воздух в больших баллонах-емкостях охлаждается. Затем его подвергают быстрому расширению через узкие каналы, снабженные турбинками для дополнительного отбора энергии у молекул газа. Эти устройства называются турбодетандерами. При расширении любого газа всегда происходит его охлаждение. Если газ был сжат очень сильно, то его расширение может привести к такому сильному охлаждению, что часть воздуха сжижается. Жидкий воздух собирают в специальные сосуды, называемые сосудами Дьюара. Жидкий кислород кипит при более "высокой" температуре (-183 оС), чем жидкий азот (-196 оС).

52 Охлаждение при помощи фазовых превращений

Фазовые превращения (плавление, кипение, сублимация...) являются процессами с поглощением значительного количества тепла.

Плавление. Температура таяния чистой воды составляет О °С, по­этому теплоотводящую среду можно охладить до более низкой тем­пературы, используя солевые растворы. На практике для получения низких температур используют вещества с предельной эвтектической температурой — доваренную соль (t_эвт = -21,2 °С), хлористый каль­ций (t_эвт = -55 X). Однако с увеличением концентрации солевого ра­створа уменьшается его холодопроизводительность. Например, холо-допроизводительность 1 кг чистого льда составляет 335 кДж/кг, а при температуре эвтектики — лишь 192 кДж/кг.

Эвтектическим раствором заполняют водонепроницаемые пакеты, которые называют аккумуляторами холода (зероторами). Их помеща­ют в охлаждаемый объем, где замороженная эвтектическая смесь льда и соли оттаивает, отнимая тепло от охлаждаемой среды. Однако дли­тельность хранения продуктов ограничена объемом солевого раствора, поэтому способ применяется в основном для хранения небольших ко­личеств продуктов, например при транспортировке продуктов в быто­вых сумках-холодильниках.

Автомобильный транспорт с охлаждаемыми аккумуляторами и теп­лоизолированным кузовом находит ограниченное применение по со­вокупности недостатков, связанных с большой массой аккумуляторов, необходимостью их замораживания и т. д.

Кипение и сублимация. Кипением называют процесс парообразова­ния по всему объему жидкости, протекающий с поглощением опреде­ленного количества тепла. Температура кипения зависит от давления паров над жидкостью и при постоянном давлении неизменна.

Удельной теплотой парообразования называется количество тепло­ты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при температу­ре кипения.

При уменьшении давления температура кипения жидкости пони­жается, так как для отрыва молекул пара от жидкости требуется мень­шая внутренняя энергия. Понижая давление над жидкостью, можно заставить кипеть жидкость при низкой температуре, вплоть до темпе­ратуры ее замерзания.

Состояние вещества, в котором предельные значения переходной области из жидкости в пар совмещаются, называют критической точ­кой. Тепло парообразования в критической точке равно нулю. При тем­пературе выше критической точки газ нельзя превратить в жидкость.

Для получения холода применяют жидкости, имеющие при нормаль­ном (атмосферном) давлении низкую температуру кипения и боль­шую теплоту парообразования.

Сублимацией называется процесс перехода вещества из твердого со­стояния в газообразное состояние, минуя жидкое. В обычных услови­ях сублимируют, например, «сухой лед» (твердая углекислота), йод, камфара.

Механизм процесса сублимации состоит в выделении за пределы твердого вещества наиболее «быстрых» молекул, кинетическая энергия которых обеспечивает преодоление сил притяжения остальных частиц твердого вещества.

Удельное тепло сублимации равно сумме теплоты плавления и па­рообразования.

Полное скрытое тепло парообразования равно:

где

— внутренняя энергия, удельный объем, энтальпия насыщенного пара и жидкости; р — давление.

Тепло сублимации / равно сумме теплоты плавления X и парообра­зования г, поэтому процесс дает большой холодильный эффект:

(7.5)

На практике охлаждение посредством сублимации реализуют в основ­ном посредством твердой углекислоты. Твердая углекислота («сухой лед») при атмосферном давлении имеет большую холодопроизводи-тельность (574 кДж/кг) и низкую температуру сублимации (-78,9 °С).