Файл: 5. получение искусственного холода.pdf

Тема 5. ПОЛУЧЕНИЕ ИСКУССТВЕННОГО ХОЛОДА
1. Процессы получения низких температур. Способы охлаждения.
2. Типы холодильных машин
3. Холодильные агенты
4. Хладоносители
1. ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР. СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Охлаждение — процесс понижения температуры тела. Для охлаждения нужно иметь два тела: охлаждаемое и охлаждающее — источник низкой температуры. Охлаждение продолжается, пока между телами происходит теплообмен. Источник низкой температуры должен функционировать постоянно, так как охлаждение следует осуществлять непрерывно. Это возможно при достаточно большом запасе охлаждающего вещества или если постоянно восстанавливается его первоначальное состояние. Последнее широко применяется в холодильной технике с использованием различных холодильных машин.
Различают естественное и искусственное охлаждение.
При естественном охлаждении теплота самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому телу или среде.
Искусственное охлаждение — это процесс переноса теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой посредством совершения внешней работы.
Искусственное охлаждение может быть с разомкнутым циклом (одноразовым). Например, охлаждение водным, «сухим» льдом, жидким азотом или другим рабочим веществом без восстановления его первоначальных свойств.
Низкие температуры получают путем физических процессов, при протекании которых происходит поглощение извне теплоты без повышения температуры тела.
К основным физическим процессам, сопровождающимся поглощением теплоты, относятся фазовые переходы вещества: плавление или таяние при переходе тела из твердого состояния в жидкое: испарение или кипение при переходе тела из жидкого состояния в парообразное: сублимация или возгонка при переходе тела из твердого состояния непосредственно в газообразное.
Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических процессах, например при адиабатическом дросселировании газа с начальной температурой меньшей, чем температура верхней точки инверсии; при адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы; на вихревом эффекте.
Фазовый переход вещества при плавлении или таянии, испарении или кипении, сублимации или возгонке происходит при соответствующих температурах и давлениях с поглощением значительного количества теплоты.
Для получения низких температур (но не ниже 0 °С) может быть применен водный лед, который в условиях атмосферного давления плавится при 0 °С и имеет сравнительно большую величину удельной теплоты плавления — 335 кДж/кг. Если давление ниже атмосферного, сублимация водного льда происходит при температуре ниже 0 °С, что используют в сублимационной сушке пищевых продуктов.
Более широко распространено получение низких температур с использованием процесса кипения. С помощью одного вещества можно получить определенный интервал температур, поскольку температура его кипения зависит от давления: с уменьшением давления температура кипения понижается, и наоборот. С помощью различных веществ можно получать низкие температуры в широком диапазоне. Процесс испарения используют, например, для понижения температуры воды или влажных поверхностей.
Адиабатическим дросселированием называют процесс необратимого перехода газа
(жидкости) с высокого давления на низкое (расширение) при прохождении через сужение поперечного сечения (перегородка с отверстием, пористая перегородка и т.д.) без совершения внешней работы и отдачи или получения теплоты.
Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окружающей средой практически не происходит и энтальпия (теплосодержание) вещества не изменяется. Полезная работа не

совершается, так как работа проталкивания переходит в теплоту трения. Энтальпия — это функция состояния, равная сумме внутренней и потенциальной энергии давления (РУ), где Р — давление; V— объем.
При адиабатическом дросселировании реального вещества в отличие от идеального вследствие изменения внутренней энергии производится работа против сил взаимодействия молекул. Это приводит к изменению температуры вещества. Изменение температуры реального вещества при дросселировании называется эффектом Джоуля—Томсона.
В зависимости от начального состояния реального вещества перед дросселем температура его при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться и оставаться без изменения.
Точка, соответствующая начальному состоянию вещества, в которой его температура при адиабатическом дросселировании не изменяется и, следовательно, изменяется знак температурного эффекта, называется точкой инверсии, а температура, соответствующая этой точке, — температурой инверсии.
Точку инверсии можно определить, построив в координатах ТV (температура — объем вещества) изобару и проведя к ней касательную из начала координат. При начальных температурах газа ниже температуры инверсии он при дросселировании будет охлаждаться, выше
— нагреваться.
Большинство газов, за исключением водорода и гелия, имеют довольно высокую температуру инверсии (600 °С и выше), поэтому практически для всех газообразных веществ в области, близкой к критической, адиабатическое дросселирование приводит к понижению температуры.
При адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы получение низких температур возможно при любом его состоянии, так как температура изменяется в сторону понижения. В отличие от адиабатического дросселирования в этом случае эффект возможен и для идеального газа, при этом понижение температуры в процессе адиабатического расширения при прочих равных условиях бывает более значительным, чем при дросселировании.
Адиабатическое расширение газа в детандере (расширителе) используют для получения криогенных температур.
Вихревой эффект достигается в вихревых трубах при подаче в них по тангенциальному вводу сжатого воздуха, имеющего температуру окружающей среды. Скорость вращения воздуха в трубе обратно пропорциональна ее радиусу. Центральная часть вращающегося потока имеет большую скорость, чем периферийная, вследствие чего температура воздуха у стенок трубы выше, а в центре ниже, чем температура подаваемого в трубу воздуха. Можно получить потоки воздуха с низкой и высокой температурами, если разделить центральную и периферийную части потока. Это явление называется эффектом Ранка.
Таким образом, через определенный физический процесс можно получить источник требуемой низкой температуры, необходимый для охлаждения тела.
Низкие температуры (от температур окружающей среды до близких к абсолютному нулю) условно подразделяют на области:
- умеренного холода (до -103 °С, или 170 К);
- глубокого охлаждения (от -103 до -203 °С, или от 170 до 70 К);
- криогенные (от -203 до -272,7 °С, или от 70 до 0,3 К);
- сверхнизкие (от -272,7 до -272,9992 °С, или от 0,3 до 8 · 10
-4
К).
Способы охлаждения
Для получения холода используются безмашинные и машинные способы охлаждения.
Безмашинные способы охлаждения основываются на плавлении, испарении, сублимации.
В безмашинных способах охлаждения используются готовые хладоносители (водный, эвтектический и сухой лед, сжиженные газы, воздух). Установки, работающие на готовых хладоносителях, просты по устройству и, следовательно, наиболее доступны, но они имеют существенные недостатки: полную зависимость от возможности и условий получения хладоносителей; большой объем грузовых работ, связанных с зарядкой хладоносителями и поддержанием гигиены в охлаждаемых помещениях.
По виду используемой энергии различают холодильные машины:
- механические (компрессионные паровые, газовые);

- теплоиспользующие (пароэжекторные, абсорбционные и сорбционные).
К холодильным машинам можно также отнести воздушные детандерные, использующие процесс расширения воздуха с производством внешней работы, и безмашинные термоэлектрические, потребляющие непосредственно электроэнергию на основе эффекта Пельтье.
При охлаждении в компрессионных и теплоиспользующих машинах теплота переносится в результате совершаемого рабочим телом — холодильным агентом (хладагентом) обратного кругового процесса, а в термоэлектрических — при воздействии потока электронов на атомы вещества.
Охлаждение в термоэлектрических машинах основано на термоэлектрическом эффекте, известном как эффект Пельтье, заключающемся в том, что при пропускании постоянного электрического тока по замкнутой цени, состоящей из двух разнородных проводников или полупроводников, один из спаев нагревается (горячий спай), а другой охлаждается (холодный спай). Для того чтобы холодный спай термоэлемента имел постоянную низкую температуру и был источником холода, горячий спай нужно охлаждать. В этом случае система представляет собой холодильный агрегат, в котором электрический ток переносит энергию от холодного спая термоэлемента к горячему. Количество перенесенной энергии пропорционально силе тока в цепи термоэлемента. Изменение полярности электрического тока приводит к перемене мест холодного и горячего спаев.
Основной показатель качества термоэлемента — коэффициент добротности (эффективности вещества), определяющий максимальную разность температур горячего и холодного спаев. К достоинствам такого рода устройств можно отнести непосредственное использование электрической энергии для переноса теплоты без промежуточных веществ и механизмов; бесшумность и автономность работы; компактность и простоту автоматизации и обслуживания.
Однако они значительно дороже других холодильных машин.
2. ТИПЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
Холодильной машиной называют комплект оборудования, необходимый для осуществления холодильного цикла.
В зависимости от вида физического процесса, в результате которого получают холод, холодильные машины подразделяют на следующие типы:
- использующие процесс расширения воздуха (газовые, вихревые);
- использующие фазовый переход рабочего тела из жидкого в газообразное состояние
(компрессионные паровые, абсорбционные, сорбционные, пароэжекторные).
В зависимости от вида рабочего тела (холодильного агента) холодильные машины, в основе принципа действия которых лежит обратный цикл Карно, подразделяют на паровые и газовые.
В испарителе паровой холодильной машины происходит испарение рабочего тела при переходе к нему теплоты от охлаждаемого объекта, а в конденсаторе — его конденсация при переходе теплоты от рабочего тела в окружающую среду (в воздух или воду).
В качестве рабочего тела в паровых холодильных машинах используют аммиак и хладоны — фтористые и хлористые производные предельных углеводородов, в газовых — воздух.
В зависимости от способа подачи рабочего тела в конденсатор холодильные машины подразделяют на компрессионные, абсорбционные, сорбционные и пароэжекторные.
В компрессионных холодильных машинах рабочий цикл совершается за счет механической работы компрессора, в абсорбционных, сорбционных и пароэжекторных — за счет затрат теплоты.
Для получения требуемых температур кипения и конденсации рабочего тела используют одноступенчатые, многоступенчатые и каскадные паровые компрессионные машины.
Соответственно в одноступенчатых используют один, в многоступенчатых и каскадных — два компрессора и более, которые обеспечивают осуществление холодильного цикла в каждой ступени машины. Для холодильной обработки и хранения пищевых продуктов в охлаждаемых камерах используют преимущественно паровые компрессионные одно- и двухступенчатые холодильные машины.

Газовые и вихревые холодильные машины.
В газовых холодильных машинах холодильными агентами являются газообразные вещества, агрегатное состояние которых не изменяется при совершении цикла, в основном воздух; поэтому их называют воздушными холодильными машинами.
Первые воздушные холодильные машины появились 100 лет назад. Однако тогда они не получили широкого распространения и были вытеснены с рынка парокомпрессионными, так как удельная массовая холодопроизводительность воздуха значительно меньше, чем кипящего холодильного агента в цикле паровой холодильной машины. При использовании воздушных холодильных машин требуется большая массовая подача холодильного агента, поэтому только по мере развития газотурбинной и особенно турбореактивной техники удалось создать воздушные турбохолодильные машины, близкие по экономичности в области относительно низких температур (от -80 до -120°С) к парокомпрессионным.
Цикл воздушной холодильной машины имеет большие необратимые потери, поэтому термодинамически он целесообразен, если машина осуществляет комбинированный цикл, охлаждая и нагревая одновременно.
В воздушных холодильных машинах типа ТХМ, разработанных в нашей стране, охлаждение происходит благодаря расширению воздуха в расширительной машине — детандере с производством внешней полезной работы. Такие машины имеют холодопроизводительность 30 —
60 кВт и более и используются для быстрого замораживания эндокринного сырья (желез внутренней секреции, направляемых на медицинские цели), некоторых видов продуктов растительного происхождения (плодов, овощей, ягод), кулинарных изделий.
Машины вихревого типа представляют собой цилиндрическую трубу, разделенную диафрагмой на холодную и горячую части.
С термодинамической точки зрения процессы, протекающие в вихревой трубе, сводятся к тому, что слои воздуха, вращающиеся вблизи оси, отдают кинетическую энергию остальной
(периферийной) массе воздуха и при этом охлаждаются. Другая же часть воздуха воспринимает эту энергию и нагревается в результате трения, на преодоление которого затрачивается значительная часть кинетической энергии.
Термодинамическое совершенство воздушных холодильных машин вихревого типа не превышает нескольких процентов и зависит от использования теплоты потока воздуха, выходящего из горячей части вихревой трубы. Если эта теплота утилизируется, то общая эффективность повышается. Вихревые трубы просты в изготовлении и эксплуатации, компактны и высоконадежны. Однако область их использования ограничена вследствие низкой экономичности термодинамических процессов.
Компрессионные паровые холодильные машины
Подавляющее большинство действующих холодильных машин — парокомпрессионные, которые в зависимости от типа используемого компрессора подразделяют на поршневые, центробежные, винтовые и ротационные. Для обеспечения требуемых температур кипения и конденсации рабочего тела используют одноступенчатые, многоступенчатые и каскадные компрессионные паровые холодильные машины.
Функциональные схемы паровой одноступенчатой холодильной машины с детандером и дросселем и их циклы, а также принципиальная схема многоступенчатых парокомпрессионных машин и их цикл были рассмотрены выше. Также было дано описание Циклов в парокомпрессионных холодильных машинах.
Для реализации цикла в комплект компрессионной паровой холодильной машины входят компрессор, конденсатор, испаритель, теплообменник, приборы автоматики, пускозащитная электроаппаратура, монтажные трубопроводы и другие элементы.
Наиболее широко распространены компрессионные паровые холодильные машины с поршневыми компрессорами, обладающие наиболее высокими по сравнению с машинами других типов энергетическими коэффициентами, способностью работать при более высоком отношении

давлений конденсации и кипения. Однако они менее надежны, чем машины с центробежными и винтовыми компрессорами. Это машины средней холодопроизводительности. Их используют в рассольных системах охлаждения, но можно применять и в системе непосредственного охлаждения, как и машины малой холодопроизводительности.
Холодильные машины с центробежными компрессорами имеют низкую энергетическую эффективность при небольшой холодопроизводительности (менее 700 кВт), поэтому используются при повышенной холодопроизводительности.
Холодильные машины с винтовыми маслозаполненными компрессорами высоконадежны, имеют удовлетворительные энергетические показатели при производительности, превосходящей верхний предел эффективности холодильных машин с поршневыми компрессорами. Несмотря на основной недостаток — наличие металлоемкой масляной системы, холодильные машины с винтовыми компрессорами получили большое распространение.
Холодильные машины с ротационными пластинчатыми компрессорами отличаются простотой устройства, изготовления и эксплуатации, большей уравновешенностью, чем поршневые, так как в них нет деталей, совершающих возвратнопоступательное движение, нечувствительностью компрессора к гидравлическим ударам. Однако они имеют недостатки: значительные потери на трение, повышенный шум.
При холодопроизводительности от нескольких сот ватт до нескольких киловатт сравнимы с показателями холодильных машин с поршневыми компрессорами.
Абсорбционные и сорбционные холодильные машины
Абсорбционные и сорбционные холодильные машины отличаются от компрессионных тем, что в них отвод теплоты от охлаждаемого объекта к окружающей среде осуществляется путем затраты внешней энергии в виде теплоты, а не работы.
В абсорбционных холодильных машинах циркулирует рабочее тело, представляющее собой бинарный раствор веществ, имеющих различные нормальные температуры кипения.
Низкокипящее вещество выполняет роль холодильного агента, а высококипящее — абсорбента
(поглотителя).
Бинарные растворы, используемые наиболее широко, - «аммиак — вода» и «вода — бромид лития». Причем аммиак в первом растворе и вода во втором являются холодильными агентами.
Водоаммиачные машины используют для получения относительно низких температур (до -70°С), а бромистолитиевые — для более высоких. Теплоиспользующие абсорбционные холодильные машины перспективны с точки зрения экономии топливно-энергетических ресурсов, поскольку позволяют использовать вторичные ресурсы (отходящие газы, отработанный пар, горячую воду), теплоту ТЭЦ в неотопительный период. С точки зрения экологии также есть положительные моменты: эти машины позволяют избежать применения в качестве хладагентов хлорфторуглеводородов, отрицательно воздействующих на озоновый слой атмосферы, а также выбросов машинного масла в окружающую среду.
Однако абсорбционные холодильные машины работают при температуре греющего источника
70 — 180 °С (чаще 155 — 180 °С), поэтому диапазон температур до 70 °С не реализуется и соответственно теплота часто просто сбрасывается в атмосферу. В этом диапазоне могут работать сорбционные холодильные машины, к которым подводится теплота низкого уровня температур, а запасы тепловой энергии в указанном температурном диапазоне огромны.
В сорбционных холодильных машинах используют рабочие смеси, обладающие эффектом не только сорбции, но и полной взаимной растворимости компонентов.
Сорбционные холодильные машины (СХМ) не имеют конкурентов в выработке холода от теплоты низкого потенциала, начиная с температуры, превышающей всего на 10 — 15 °С температуру среды, охлаждающей конденсатор. Рабочими веществами таких машин могут быть ацетон (50 %) и пропанбутановая смесь техническая зимняя (50 %), а также водные растворы роданида аммония и др. С помощью СХМ возможно получение холода на уровне -30 °С при тепловом коэффициенте от 5 до 10 % и выше.