Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
курсова / ªãàᮢ  / Davydyuk2013_2_formatA4.doc
Скачиваний:
141
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
2.48 Mб
Скачать

Лекція 13 Холодильні процеси

1. Теоретичні основи охолодження.

2. Методи штучного охолодження.

3. Помірне охолодження.

1. Теоретичні основи охолодження

Для охолодження, заморожування та зберігання харчових продуктів і продуктів біосинтезу, зокрема ферментів, за низьких температур використовують холодильники. Охолодження у холодильниках здійснюється холодильними машинами. У біотехнологічних виробництвах за штучного охолодження проводять деякі процеси абсорбції, кристалізації, сублімаційного сушіння та інших.

Штучне охолодження завжди пов’язане з перенесенням тепла від тіла з нижчою температурою до тіла з вищою температурою. Таке перенесення, згідно другого закону термодинаміки, потребує витрат енергії. Тому введення енергії у систему є необхідною умовою отримання холоду.

Способи виробництва штучного холоду значною мірою визначаються необхідною температурою охолодження та масштабом установки.

Умовно розрізняють: 1) помірне охолодження (діапазон температур від кімнатних до –100 °С) і 2) глибоке охолодження (до температур нижчих за –100 °С). У свою чергу, отримання температур нижчих за –100 °С умовно класифікують так: а) техніка глибокого охолодження (від –100 до –218 °С); б) кріогенна техніка (від 40 до 0.3 K); в) техніка ультранизьких температур (до 0.00002 K).

Використання температур, що відповідають глибокому охолодженню, дозволяє розділяти газові суміші шляхом їх повного зрідження та отримувати багато технічно важливих газів, наприклад, азот, кисень та інші гази з повітря, водень з коксового газу, етилен з газів крекінгу нафти тощо.

Як відомо з термодинаміки, перенесення тепла від тіла з меншою температурою до тіла з вищою температурою супроводжується зменшенням ентропії S і тому не може відбуватися самовільно. Для того, щоб здійснити такий процес, його необхідно поєднати з іншим процесом, що йде зі збільшенням ентропії (тобто з витратою енергії) та компенсує її зменшення у процесі відняття тепла від тіла з нижчою температурою.

У холодильних установках перенесення тепла від середовища з нижчою температурою до середовища з вищою температурою здійснюється за допомогою робочого тіла, яке називають холодильним агентом, або хладагентом.

Отримання холоду відбувається за круговим процесом, або циклом, у якому процес відняття тепла від охолоджуваного середовища супроводжується компенсуючим процесом – підведенням енергії (наприклад, під час стиснення парів хладоагента у компресорі).

Згідно законів термодинаміки, при переході тепла від середовища з вищою температурою Т до середовища з нижчою температурою Т0 найвищий ступінь перетворення тепла в роботу відповідає коефіцієнту корисної дії циклу Карно. Оберненим циклом Карно називається процес перенесення тепла від менш нагрітого тіла до більш нагрітого при витратах механічної роботи. Обернений цикл Карно складається з таких процесів (рис. 13.1):

1–2 – адіабатичне стиснення пароподібного хладагента (кінцева температура стиснення Т);

2–3 – ізотермічна конденсація парів холодильного агента при температурі Т з віддачею в навколишнє середовище теплоти конденсації Q;

3–4 – адіабатичне розширення рідкого хладагента (кінцева температура розширення Т0);

4–1 – ізотермічне випаровування рідкого хладагента за температури Т0 з відніманням від охолоджуваного середовища теплоти випаровування Q0.

Рис. 13.1. Ентропійна діаграма оберненого циклу Карно

Такий цикл можна здійснити лише за умови постійності ентропії системи. Тому, якщо при випаровуванні хладагента ентропія навколишнього середовища зменшується на Q00, то на таке ж значення повинна зрости ентропія більш нагрітого середовища, якому передається тепло Q0, що віднімається від охолоджуваного середовища, і тепло, еквівалентне роботі Lк, витраченій на стиснення хладагента. У результаті зростання ентропії більш нагрітого середовища складає (Q0 + LК)/Т.

Згідно енергетичного балансу

.

Звідси робота, яку необхідно витратити у холодильній установці, що працює по оберненому циклу Карно

. (13.1)

Тепло Q0, що віднімається холодильним агентом від охолоджуваного середовища при температурі Т0 < Т, визначає холодопродуктивність циклу, або холодильної установки. На діаграмі TS (див. рис. 13.1) холодопродуктивність зображається площею 1–4–5–6. Площа 2–3–5–6 еквівалентна кількості тепла, що віддається холодильним агентом більш нагрітому середовищу за температури Т, а різниця площ 2–3–5–6 і 1–4–5–6 відповідає величині витраченої роботи.

Отже, енергетичний баланс будь-якої холодильної машини

. (13.2)

Термодинамічна ефективність холодильних циклів виражається відношенням холодопродуктивності до витраченої роботи, причому це відношення називається холодильним коефіцієнтом і позначається ε. Коефіцієнт ε виражається залежністю . (13.3)

Холодильний коефіцієнт показує, яка кількість тепла сприймається холодильним агентом від охолоджуваного середовища на одну одиницю витраченої роботи.

З діаграми TS (див. рис. 13.1) випливає, що Q0 = Т0 (S1S2) і Q = Т (S1S2). Підставляючи значення Q0 і Q у рівняння (13.3), для циклу Карно отримаємо

. (13.4)

Холодильний коефіцієнт, що характеризує ступінь використання механічної роботи на отримання штучного холоду, як видно з рівняння (13.4), не залежить від властивостей холодильного агента або схеми дії холодильної установки, а є лише функцією температур Т0 і Т. При цьому ступінь використання механічної роботи буде тим вищий, чим менша різниця між температурами холодильного агента при віддачі Т та прийманні Т0 тепла.

Холодильний коефіцієнт не можна розглядати як к.к.д. холодильної машини. Коефіцієнт корисної дії характеризує частку тепла, яка може бути перетворена на роботу, і тому менший за одиницю. У даному випадку витрачувана робота не перетворюється на тепло, а слугує лише засобом, що забезпечує перенесення даної кількості тепла з нижчого температурного рівня на вищий. Тому Q0 зазвичай більше за L, а ε – більше одиниці.

З пониженням температури охолодження Т0 витрачувана робота різко зростає і відповідно різко збільшується вартість отримання холоду. Окрім того, з пониженням температури охолодження внаслідок зменшення значення температурного коефіцієнта реального циклу ε, буде зменшуватись термодинамічний коефіцієнт корисної дії η будь-якого реального циклу, що дорівнює відношенню холодильного коефіцієнта ε реального циклу до холодильного коефіцієнта циклу Карно:

. (13.5)

Проте, можна уявити ідеальний цикл охолодження газу, у якому витрачувана робота Lід буде меншою, ніж у циклі Карно (Lід < LК).

Рис. 13.2. Робота зрідження газу по ідеальному циклу

На рис. 13.2 зображено діаграму TS, що відповідає ідеальному циклу зрідження газу. Нехай початковий стан газу характеризується точкою 1 (Т1, і1), а його стан після зрідження – точкою 3. Ідеальний процес здійснюється шляхом ізотермічного стискування газу (лінія 12) і його адіабатичного розширення (лінія 2–3).

Теплота Q1, що віднімається від газу у процесі власне зрідження, складається з теплоти, яка віднімається при охолодженні газу по ізобарі 1–6 до температури зрідження і теплоти конденсації газу (при температурі Т2), що виражається ізотермою 6–3. Кількість тепла Q1 еквівалентна площі 1–6–3–4–5–1 і виражається різницею ентальпій: Q1 = і1і2. Загальна кількість тепла Q (площа 1–2–3–4–5–1), що віднімається від газу при його зрідженні охолоджуючою водою, дорівнює теплоті власне зрідження Q1 і теплоті Q2, яка виділяється при ізотермічному стисненні газу. Теплота Q2 для ідеального оборотного процесу зрідження газу еквалентна роботі Lід, витрачуваній на зрідження в ідеальному циклі, тобто Q2 = Lід. Отже ,

звідки . (13.6)

Загальна кількість тепла Q, еквівалентна площі 1–2–3–4–5–1, а робота, що витрачається в ідеальному циклі, зображається різницею площ 1–2–3–4–5–1 і 1–6–3–4–5–1 або еквівалентна площі 1–2–3–6–1.

Результати розрахунків роботи (у кВт  год/кг), витрачуваної на зрідження 1 кг газу по ідеальному циклу і циклу Карно при Т1 = 300 K і р1 = 9.81 Н/м2 наведені у таблиці 13.1:

Таблиця 13.1

Розрахунки роботи, витрачуваної на зрідження газу по ідеальному циклу та циклу Карно (кВт  год/кг)

Газ

Lід

LК

Повітря

0.205

0.301

Кисень

0.177

0.263

Водень

3.31

15.1

Гелій

1.9

30.6

Азот

0.22

0.346

Метан

0.307

0.426

Етилен

0.119

0.143

З наведених даних видно, що робота зрідження газів по ідеальному циклу менша за роботу, яку необхідно витратити по циклу Карно. Практично, проте, ідеальний процес зрідження газу з мінімальною витратою роботи здійснити неможливо, оскільки при цьому було б необхідно, як показують розрахунки, стискати газ до тисків приблизно 500 000 ат.

Промислові установки для зрідження газів працюють за умов, що відрізняються від умов, які відповідають ідеальному циклу: за значно нижчих тисків стиснення (до кількох сотень атмосфер) і необоротності окремих елементів процесу, зокрема, втрат тепла у довкілля. Відповідно, витрати енергії на зрідження газів значно вищі, ніж в умовах ідеального циклу стиснення.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.