1_ЛЕКЦИЯ _Физ_Основы получения холода

Лекция_1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

1. Способы искусственного охлаждения

Искусственное охлаждение — процесс отнятия тепла от тел, температура которых должна быть ниже температуры окружающей среды. Искусственное охлаждение применяется в тех случаях, когда естественные охлаждающие агенты (вода из водоемов, наружный воздух) не могут понизить температуру охлаждаемых тел до требуемого уровня. Большое значение искусственное охлаждение имеет в пищевой промышленности. Так, например, к искусственному охлаждению приходится прибегать при хранении скоропортящихся пищевых продуктов, производстве искусственного льда, кондиционировании воздуха и т. п.

Принципиальная схема искусственного охлаждения показана на рис. 1. Процесс охлаждения совершается при помощи какого-либо рабочего вещества, называемого иначе хладагентом. Рабочее вещество в охлаждающем устройстве / воспринимает тепло Qo от охлаждаемой среды при температуре То. Количество тепла зависит от теплопритоков через изоляцию из внешней среды, температура которой Т^>Т0. Под действием тепла рабочее вещество непрерывно изменяет свое состояние. Характер изменения зависит от рода физического процесса, положенного в основу охлаждения Чаще всего имеет место переход рабочего вещества из одного агрегатного состояния в другое, сопровождаемой поглощением больших количеств тепла. Количество тепла, которое поглощает 1 кг рабочего вещества (хладагента), называется

удельной хладопроизводительностью.

Одним из наиболее простых способов является охлаждение льдом (из воды). При внесении льда в охлаждаемую среду тепло от среды отдается льду. Температура среды понижается, а лед под влиянием тепла постепенно плавится. В данном случае для охлаждения используется скрытая теплота плавления льда, равная 335 кдж/кг (80 ккал/кг). Наиболее низкая температура, которая может быть получена при использовании водного льда, ограничена температурой его плавления (0°С).

Способ охлаждения холодильными смесями, основанный на использовании теплоты растворения солей в воде и кислотах, позволяет получить температуры ниже О °С. Этот способ был указан еще М. В. Ломоносовым (1774 г.)- При замене воды дробленым льдом (льдосоляное охлаждение), кроме теплоты растворения соли, от смеси отнимается скрытая теплота плавления льда. Вследствие этого температура охлаждающей смеси становится ниже.

Температура таяния льдосоляной смеси зависит от рода соли и ее количественного содержания в смеси. В практике часто используют смесь дробленого льда с технической поваренной солью. Концентрацию смеси принимают в зависимости от требуемой температуры охлаждения. С повышением концентрации температура таяния смеси понижается до некоторого предела, а затем снова возрастает (рис. 2). Наиболее низкая температура плавления (—21,2° С) достигается при 23,1%. Эта температура

1

называется криогидратной.

Для смеси хлористого кальция со льдом криогидратная температура равна—55° С при концентрации 29,9%. Холодопроизводительность 1 кг льдосоляной смеси ниже холодопроизводительтельности 1 кг чистого льда, так как часть холода тратится на охлаждение компонентов до температуры плавления смеси.

Водные растворы солей, имеющие концентрацию криогидратной точки, называются эвтектическими. При замораживании их образуется лед однородной структуры, имеющий низкую температуру плавления, равную криогидратной температуре.

В табл. 1 указаны некоторые физические свойства эвтектических растворов. Как видно из этой таблицы, эвтектики обладают температурой плавления ниже 0°С и сравнительно меньшей скрытой теплотой плавления, чем у льда из одной воды.

Таблица I Физические свойства эвтектических растворов

Эвтектические растворы замораживают в специальных металлических

2

сосудах, называемых зероторами. Охлаждение эвтектическим льдом называется зероторным.

Охлаждение сухим льдом (твердой углекислотой) возможно до более низкой температуры. Твердую углекислоту получают из газообразной. Сжатая компрессорами до высокого давления газообразная углекислота конденсируется благодаря охлаждению водой. При дросселировании жидкой углекислоты до давления ниже тройной точки жидкая фаза исчезает; остаются твердая и газообразная фазы. Тройная точка для СО, (рис. 3) определяется температурой —56,6° С и давлением 0,518 Мн/м? (5,28 кГ1см%)

При атмосферном давлении твердая углекислота, воспринимая тепло от охлаждаемой среды, сублимирует, т. е. переходит непосредственно в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Теплота сублимации равна 574 кдж/кг (137 ккал/кг) при температуре образующихся паров — 78,9° С. Данной температурой и определяется тот наиболее низкий уровень охлаждения, который может быть достигнут при использовании сухого льда в качестве охладителя.

На практике для охлаждения среды и поддержания ее температуры на постоянном низком уровне холод должен производиться непрерывно в течение продолжительного времени. При этих условиях охлаждение с помощью отдельных процессов (таяние льда, растворение солей в воде и кислотах, сублимация твердой углекислоты и т. п.) возможно только при наличии очень больших запасов рабочих веществ.

Этого недостатка не имеет машинное охлаждение. Холодильные машины могут производить холод весьма длительное время при сравнительно небольшом запасе рабочего вещества.

Рис. 2. Диаграмма равновесия фаз для углекислоты:

/ — кривая плавления; 2 — кривая кипения; 3 — кривая сублимации

Одно и то же рабочее вещество циркулирует в холодильной машине и совершает в ней круговой процесс. После холодильного действия хладагент претерпевает ряд изменений, в результате которых снова возвращается в первоначальное состояние. Непрерывная циркуляция рабочего вещества сопровождается непрерывным отнятием тепла от охлаждаемых тел и

3

переносом его во внешнюю среду.

В процессах машинного охлаждения чаще всего используется свойство некоторых рабочих веществ кипеть при низких температурах. Таким свойством обладают аммиак, фреоны, углекислота, сернистый ангидрид и многие другие вещества.

Указанное свойство используется в наиболее распространенных в настоящее время паровых холодильных компрессионных машинах, а также в абсорбционных машинах.

Основой машинного охлаждения может служить, кроме того, процесс адиабатного расширения сжатых газов. При таком расширении вся внешняя работа совершается только за счет энергии рабочего вещества; температура его может понизиться очень значительно. Если газ сперва имел температуру окружающей среды, то после расширения температура станет более низкой и он может быть использован в качестве охладителя. На этом принципе работают воздушные холодильные компрессионные машины.

2 Дросселирование

Для получения очень низких температур иногда применяют холодильные циклы, основанные на дросселировании (мятии) сжатых газов.

Под процессом дросселирования понимают непрерывный переход газа или жидкости от более высокого давления к низкому без совершения внешней полезной работы и без теплообмена с окружающей средой.

Дросселирование протекающего газа или жидкости возникает в том случае, когда поток внезапно сужается вследствие уменьшения сечения диафрагмой, вентилем или встретив сопротивление в виде пористой среды, а затем спять получает возможность двигаться в большом сечении. В суженном сечении скорость потока возрастает, что одновременно вызывает понижение температуры потока и, следовательно, уменьшение внутренней энергии его. Кинетическая энергия, полученная потоком в процессе дросселирования, расходуется на трение, превращается в тепло, которое воспринимается самим потоком. Этот процесс приводит к изменению внутренней энергии и температуры дросселируемого вещества, а в случае дросселирования влажного пара – и к увеличению его сухости. В зависимости от свойств и состояния дросселируемого вещества внутренняя энергия за дроссельным участком может быть больше или меньше либо равной внутренней энергии до дроссельного участка.

От этого соотношения зависит изменение состояния дросселируемого вещества, следовательно, конечная температура вещества может быть выше, равна или ниже начальной. Подвод тепла за счет внутреннего трения приводит к изменению не только внутренней энергии, по и к возрастанию энтропии дросселируемого вещества, которая увеличивается не за счет внешних теплопритоков, а вследствие сообщения потоку тепла, эквивалентного потерянной на трение работы (энергии) самого потока, поэтому процесс дросселирования — внутренне необратимый.

4

Эта работа увеличивает внутреннюю энергию среды, находящейся между поршнями. Рассматриваемая работа не может полезно использоваться как внешняя без нарушения процесса и называется объемной работой или работой проталкивания. За счет внутренней энергии потока дросселируемого вещества, заключенного между поршнями Л и Б, поршень Б совершает работу, вытесняя среду, находящуюся справа за ним. Эта объемная работа уменьшает внутреннюю энергию дросселируемого вещества, находящегося между поршнями:

Суммарная объемная работа дросселируемого вещества характеризуется выражением

Давление вещества при дросселировании уменьшается, а объем увеличивается, поэтому разность P2V2— Р\У\ (равная работе проталкивания газа через дроссельное отверстие) может иметь как положительное, так и отрицательное значение.

Внутренняя энергия реального вещества состоит из двух частей. Первая часть представляет собой кинетическую энергию теплового движения всех молекул и является функцией одной лишь температуры, а вторая — это потенциальная энергия взаимного притяжения молекул. Она имеет отрицательный знак и зависит от объема, увеличиваясь с возрастанием его. При дросселировании происходит увеличение объема вещества V2> V1 поэтому отрицательная составляющая внутренней энергии всегда возрастает.

При р2V2– р1 V1>0 среда, находящаяся между поршнями расходует свою внутреннюю энергию на совершение объемной работы над внесшей средой. В этом случае падение температуры (уменьшение кинетической энергии молекул) будет происходить как вследствие роста отрицательной составляющей внутренней энергии среды, находящейся между поршнями, благодаря увеличению обьема, т а к и в результате расхода внутренней энергии среды, находящейся между поршнями, на совершение объемной работы.

При р2V2– р1V1 <0 внешняя среда за счет объемной работы увеличивает внутреннюю энергию среды, находящейся между поршнями. Если возрастание внутренней энергии в результате объемной работы меньше роста отрицательной составляющей внутренней энергии, связанной с ростом объема, то по-прежнему произойдет понижение температуры. В том случае, когда объемная работа скомпенсирует увеличение отрицательной составляющей внутренней энергии, связанной с ростом обьема, температура при дросселировании не изменяется Если объемная работа окажется в избытке, температура при дросселировании будет возрастать.

При р2V2– р1 V 1=0 понижение температуры будет происходить только вследствие роста отрицательной составляющей внутренней энергии,

6

связанной с увеличением объема Из термодинамики известно:

при t*-=const значение d/ = 0, тогда

Полученное выражение называется дифференциальным дроссельным эффектом и обозначается

Если—эффект положительный и сопровождается понижением температуры, если а,<0 —эффект отрицательный и сопровождается повышением температуры. При а = 0 температура остается без изменения. Для идеального газа—эффект дросселирования равен нулю.

Рис. 4 Изображение процесса дросселирования и изоэнтропного расширения в л—Г-диаграмме,

Интегральный дроссельный эффект выражается отношением

Дроссельный эффект принято также называть эффектом Джоуля — Томсона.

На рис. 4 з 5—Г-диаграмме изображены процессы Дросселирования вещества, находящегося в различных состояниях.

Состояние дросселируемого вещества, при котором изменяется знак эффекта дросселирования, носит название инверсионного; на рис, 4 нанесена инверсионная линия аг = 0.

Если дросселирование протекает в области, расположенной выше

7

инверсионной линии (процесс 1—2), то при дросселировании температура повышается; в этом случае эффект дросселирования отрицательный. Разность температур Д7 называют изотермическим эффектом дросселирования. Если при дросселировании вещество проходит через состояние инверсии, то эффект дросселирования меняет свой знак (процесс 3—4) По мере удаления от состояния инверсии значение изотермического эффекта дросселирования возрастает Эффект дросселирования повышается так же в области высоких давлений (в области высоких давлений линии i = const проходят круче).

При дросселировании насыщенной жидкости (из-за сопутствующего дросселированию парообразования) происходит значительное увеличение объема (совершается большая отрицательная объемная работа) и из-за большого влияния сил взаимного притяжения молекул изотермический эффект дросселирования в значительной степени возрастает, а сам процесс приближается к изоэнтропному (процесс 7—8).

Почти все газы при дросселировании в обычных температурных условиях охлаждаются, так как имеют высокую температуру инверсии (выше 800° К). Исключение составляют водород (Т„ = = 200° К) и гелий (Ти = 30° К). Понижение температуры этих газов при дросселировании возможно только при условии предварительного охлаждения их ниже температуры инверсии.

Получение низких температур методом дросселирования связано с большими энергетическими потерями. Поэтому данный метод охлаждения имеет ограниченное применение; он получил некоторое распространение в технике глубокого охлаждения при сжижении газов.

2. Bиxpевoй эффект (Эффект РАНКА —ХИЛЬША) Вихревой эффект охлаждения осуществляют в простом устройстве —

вихревой трубе, называемой также по имени ее изобретателя трубой Ранка (1931 г.) или вихревым холодильником.

Этот эффект происходит без совершения внешней полезной работы и создается с помощью так называемой вихревой трубы (рис. 4). Сжатый газ вводится обычно при температуре окружающей среды в цилиндрическую трубу / через сопла 3 по касательной к внутренней поверхности трубы.

Вихревая труба (рис. 4) проста по своему устройству. Это отрезок цилиндрической трубы, разделенной на две полости диафрагмой с отверстием, концентричным геометрической оси трубы. В непосредственной близости от диафрагмы имеется сопло для подачи сжатого воздуха, расположенное тангенциально относительно внутренней поверхности цилиндрической трубы. Правая от диафрагмы часть трубы, имеющая свободный выход, называется холодным концом трубы. Левая же часть трубы, снабженная дроссельным вентилем, — горячий конец трубы.

Вихревая труба, как показывает опыт, позволяет разделять сжатый воздух, поступающий в сопло с температурой окружающей среды Т, на два газовых потока с различными температурами. При этом холодный воздух,

8

имеющий температуру Тх, выходит через отверстие в диафрагме и далее через холодный конец трубы, а горячий воздух с температурой Те — с противоположной стороны, т. е. через дроссельный вентиль.

Рис. 4. Вихревая труба (схема):

1-труба; 2—диафрагма; 3—сопло; 4 — дроссельный вентиль

.

Поступивший в трубу газ совершает вращательное движение по отношению к оси трубы и перемещается от сопла 3 к тому концу трубы, где размещен вентиль 4. При этом часть периферийного потока газа выходит из трубы / с температурой более высокой, чем температура поступающего газа, а часть противотоком проходит к центральной части трубы и выходит через диафрагму 2 с температурой более низкой, чем начальная.

Поток газа с низкой температурой используется для охлаждения, а с высокой температурой— для нагревания.

Явления, происходящие в вихревой трубе, весьма сложны и в теоретическом отношении пока недостаточно изучены. В физическом смысле процесс охлаждения внутренних (центральных) слоев воздуха, образующих холодный поток, связан с передачей от них кинетической энергии внешним слоям. Значительная же часть кинетической энергии внешних слоев расходуется на трение, что приводит к нагреванию воздуха в этих слоях.

Температуры Тх и Тг холодного и горячего потоков, выходящих из вихревой трубы, зависят от ряда факторов: начальных параметров сжатого воздуха (давления, температуры), степени расширения, от массового соотношения потоков (зависящего от настройки дроссельного вентиля), а также от конструктивных особенностей вихревой трубы. При работе вихревого холодильника на сухом воздухе с начальными параметрами 0,5Мн/м2 (^5кГ/см2) и 20° С температура холодного потока достигает —50° С; при давлении воздуха 0,7—0,8 Мн/м2 можно получить поток воздуха с температурой более низкой, около —70° С. Минимальные температуры получаются при массовой доле холодного потока [х = 0,3-^0,35. Низкая экономичность происходящих в вихревой трубе термодинамических процессов вследствие их необратимости ограничивает области применения вихревых холодильников.

3. Эффект Пельтье

Термоэлектрическое охлаждение в холодильной технике весьма перспективно и приобретает все большее практическое значение.

В замкнутой электрической цепи (рис. 5), составленной из двух различных проводников, т. е. термоэлементе, возникает термо-

9

электродвижущая сила (т.-э. д. с), если места спаев (контактов) проводников находятся при неодинаковых температурах.

Такое явление, открытое Зеебеком (1821 г.), получило название термоэлектричества. Опыт показывает, что электродвижущая сила термоэлемента пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев, а также зависит от рабочего интервала температур и свойств материалов ветвей термоэлемента, т. е. Е — а(Т — То), где а — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом т.-э. д. с. На основе эффекта Зеебека металлические термоэлементы принципиально могут быть использованы в качестве тепловых генераторов электрического тока, в которых часть тепла, нагревающего горячий спай, непосредственно превращается в электрическую энергию.

Пельтье (1834 г.) установил, что при пропускании тока в цепи, состоящей из двух различных проводников, один из спаев проводников охлаждается, а другой нагревается. В этом случае система представляет собой как бы холодильный агрегат, в котором электрический ток переносит энергию от холодного спая к горячему. Количество тепла, поглощаемого или выделяемого спаем, пропорционально произведению силы тока на время, т. е.

Величина П называется коэффициентом Пельтье, который зависит от природы материала ветвей термоэлемента. Согласно эффекту Пельтье металлические термоэлементы могут быть использованы в качестве термоэлектрических холодильников и нагревателей для получения холода или тепла, выделяемых на спаях термоэлемента при затрате электрического тока.

Этот эффект положен в основу термоэлектрического охлаждения Сущность его заключается в том, что при прохождении электрического тока через цепь, составленную из разнородных проводников, в местах контактов (спаев) в зависимости от направления тока выделяется или поглощается некоторое количество тепла QF

Разнородность проводников характеризуется различием энергии носителей тока (электронов, «дырок»). Чем больше алгебраическая разность величин этой энергии, тем сильнее проявляется эффект Пельтье, тем больше выделяется или поглощается тепла в спаях проводников. Коэффициент, отражающий указанное качество различных проводников (ветвей термоэлемента), назван коэффициентом Пельтье П

Количество тепла Пельтье Qn прямо пропорционально силе тока:

10