ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ХОЛОДИЛЬНОЇ ТЕХНІКИ частина I

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ	ДОДАТКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ			УКЛАДАЧІ

РОЗДІЛ 2. ТЕРМОДИНАМІЧНІ ОСНОВИ ШТУЧНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ

2.1. Принципи і способи отримання холоду і низьких температур

2.1.1. Фазові перетворення речовин

2.1.2. Адіабатичне дроселювання

2.1.3. Ефект Ранка-Хілша

2.1.4. Ефект Пельтьє

2.1.5. Сорбція

2.1. Принципи і способи отримання холоду і низьких температур

Одержання холоду (охолодження) – це процес віднімання тепла від фізичного тіла, який, як правило, супроводжується зменшенням температури, або зміною агрегатного стану фізичного тіла.

Розрізняють два способи отримання холоду природний та штучний.

Природне охолодження характеризується передачею тепла від охолоджуваного тіла навколишньому середовищу, за умови, що температура навколишнього середовища менше від температури охолоджуваного тіла. Але таке охолодження використовується не часто, адже температура навколишнього середовища має значні коливання і не піддається регулюванню.

	Принципи і способи отримання холоду

	Штучне охолодження – це охолодження тіла нижче за температуру навколишнього середовища.
Для цього способу охолодження необхідні витрати енергії. Штучне охолодження має два різновиди – без використання холодильних машин і з використанням холодильних машин (механізмів).

Безмашинні способи охолодження – це охолодження з використанням льоду, льодосольової суміші, сухого льоду та охолодження під час випаровування рідин.

Охолодження з використанням звичайного льоду будується на його властивості в процесі плавлення віднімати тепло у навколишнього середовища. Мінімальна температура охолодження є температура плавлення льоду 0 ^оС, а практично охолоджувані тіла можна охолодити до +4 ‒ +6 ^оС. Лід використовують для охолодження та сезонного зберігання продовольчих товарів у тих регіонах де його легко заготовити у зимовий, простий, екологічно безпечний та відносно дешевий. До недоліків цього способу можна віднести недостатньо низьку температуру, великі затрати праці, необхідність систематичного поповнення льодом і видалення води, а також підвищена вологість, що призводить до корозії металевих деталей обладнання.

	Льодосольове охолодження базується на використанні суміші подрібненого звичайного льоду і солі харчової або кальцієвої.
Швидкість плавлення збільшується, а температура плавлення нижча. Позитивним є досягнення низьких температур та можливість повторного використання сумішей (якщо їх змішати в герметичних ємностях ‒ потім заморожувати), а недоліками є підвищена вологість, що призводить до корозії металевих частин.

Охолодження сухим льодом.

Сухий лід – це двоокис вуглецю (СО2) у твердому стані. Сухий лід виробляють у вигляді блоків на заводах де отримують рідкий азот і кисень. Сухий лід не має кольору, запаху, смаку. Він створює належні умови для консервації товарів, які швидко псуються. Позитивним моментом є відсутність вологи і можливість заморожувати продукти. Недоліки – висока вартість, негативний вплив на персонал (за концентрації понад 3% СО2 – почнеться головний біль, можливе навіть обмороження рук).

	Машинні способи охолодження – це охолодження з використанням
дроселювання (ефект Джоуля-Томпсона) розширення з отриманням зовнішньої роботи, вихрового ефекту (ефект Ранка-Хілша), термоелектричного ефекту (ефект Пельтьє), магнітокалорічного ефекту, сорбції/десорбція газів і рідин.

Для здійснення процесів машинного охолодження необхідні витрати енергії.

Таблиця 2.1
Переваги і недоліки машинного способу охолодження
	Машинний спосіб охолодження
Переваги		Недоліки
+ автоматичне підтримання постійної температури зберігання; + високий коефіцієнт використання корисного охолоджуваного об’єму; + простота обслуговування; + зручність використання; + необхідні санітарно-гігієнічні умови зберігання		- використовуються конструктивно складні машини; - робота машини неможлива за відсутності електроенергії; - значні витрати на ремонт обладнання; - за роботою окремих машин потрібен постійний нагляд

Найпоширенішими способами одержання низьких температур є дроселювання, що застосовується в парових компресорних і тепловикористовуючих холодильних машинах, а також розширення з отриманням зовнішньої роботи, що застосовується в газових холодильних машинах. Магнітокалорічний ефект і десорбція газів застосовуються в основному в лабораторній практиці для отримання температур від 4 К до близьких до абсолютного нуля.

Для штучного отримання низьких температур в області помірного холоду (в діапазоні від 0 до мінус 100 ^оС) використовують спеціальні середовища – рідини, здатні кипіти і випаровуватися за низьких температур. До них належать деякі зріджені гази, такі як: аміак, пропан, бутан, двоокис вуглецю або двоокис сірки, а також штучно створені хімічні сполуки метану з хлором та фтором – хладони.

Для отримання низьких температур в області глибокого холоду (в діапазоні температур від -100 до -273 ^оС) використовують гази, критична температура яких нижча за температуру навколишнього середовища. До таких газів відносять: азот етан, етилен, метан, повітря та інші. Основними параметрами та теплофізичними характеристиками зріджених і регазованих середовищ є хімічний склад, температура, тиск, агрегатний стан, густина, теплоємність, теплопровідність, в’язкість, питома теплота фазового переходу та ін.

Залежно від необхідного діапазону отримання низьких температур використовують різні способи штучного охолодження. У способах помірного охолодження переважно використовують проміжні робочі тіла (низькокиплячі рідини), в інших способах робочими тілами є самі охолоджувані гази.

У процесах штучного охолодження перенесення тепла від охолоджуваного тіла, під час передачі тепла іншому теплоносію, здійснюють такими способами:

– використання висококиплячих рідин, які, випаровуючись під час низького тиску, відбирають тепло від охолоджуваних речовин; – розширення стислих газів, яке може бути реалізоване без виконання зовнішньої роботи ‒ просте дроселювання; – розширення стислого газу із здійсненням зовнішньої роботи ‒ адіабатичне дроселювання; – розширення стислого і заздалегідь охолодженого газу простим і адіабатним дроселюванням.

2.1.1. Фазові перетворення речовин

Низькі температури отримують зa допомогою фізичних процесів, які супроводжуються поглинанням теплоти. До таких процесів належать фазові перетворення речовин, які супроводжуються поглинанням теплоти зовні: плавлення; кипіння (випаровування); сублімація; адіабатичне дроселювання газу з попередньою температурою, яка менша за температуру верхньої точки інверсії (ефект Джоуля-Томпсона); адіабатичне розширення газу з віддачею корисної зовнішньої роботи; вихровий ефект (ефект Ранка); термоелектричний ефект (ефект Пельтьє).

Агрегатні стани речовини Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=BDnWMjzDzrc&t=19s

Фазове перетворення певної кількості речовини при плавленні, кипінні, сублімації здійснюється за низьких температур і з поглинанням значної кількості теплоти. Ця особливість фазових перетворень дає можливість отримувати низькі температури.

Термодинаміка. Фазові перетворення Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=3GL3yHVE7CU

Фазові перетворення в Р-t-координатах подано на рис. 2.1 а. Три однофазні стани (тверда, рідинна i газоподібна фази) розділені кривими СА, ВА і KA, кожна з яких відповідає двофазному стану речовини: АВ ‒ «тверде тіло ‒ рідина», АК ‒ «рідина ‒ пара», АС ‒ «тверде тіло ‒ газ», AB ‒ називають кривою плавлення, АК ‒ крива кипіння, АС ‒ крива сублімації. Вид і розташування цих кривих залежать від природи речовини.

Рис. 2.1. Фазові діаграми стану

Будь-які термодинамічні діаграми стану реального газу (P-V, S-T, i – S та ін.) також є фазовими діаграмами. Однак, на відміну від Р‒t-діаграми, де вони двофазного стану зображені лініями, на P‒V i Т‒S-діаграмах вони зображені відповідними площами (рис. 2.1 б, в). Це дає можливість здійснювати аналіз процесів y двофазному стані речовини.

Так, процес ізотермічного тиску на Р‒t-діаграмі (1‒2‒3‒4, рис. 2.1 а) виразніше відображається на P‒V-діаграмі (1‒2‒3‒4, рис. 2.1 б). Процес (2‒3) на Р‒t-діаграмі відображається однією точкою 2, 3 і не розкриває характеру процесу. На Р‒V-діаграмі процес (2‒3), що супроводжується конденсацією і повним перетворенням газоподібної фази на рідину в точці 3, піддається аналізу з урахуванням даних діаграми.

Так, з діаграми виходить, що ступінь сухості змінюється від x = 1 (точка 2) до x = 0 (точка 3). Процес ізотермічної конденсації (2‒3) збігається з ізобарою св. Подальше стиснення (3‒4) призводить до різкого підвищення тиску, оскільки рідина менше стискається, ніж газ.

Отже, ліворуч I‒К існує тільки рідинна фаза, a праворуч ІІ‒К ‒ тільки газ. Між цими кривими знаходиться ділянка двофазного стану (пара + рідина). У критичній точці К різниця між газом і рідинною фазою зникає. Вище від цієї точки існування речовини у двофазному стані неможливе (жодним тиском перетворити газ у рідину за умови t > t_кp не можна).

На Р‒V-діаграмі крива I‒К ‒ це стан киплячої рідини. Пара, що при цьому утворюється, знаходиться в динамічній рівновазі з киплячою рідиною. Таку пару називають насиченою. Наявність рідини в парі характеризується коефіцієнтом сухості пари.

Отже, крива ІІ‒К відповідає стану сухої насиченої пари (x = 1), a крива І‒К ‒ стану киплячої рідини (x = 0). Проміжок між цими кривими відповідає стану вологої насиченої пари.

Пару, температура якої за такого тиску (наприклад, Р_а, d) більша за температуру кипіння (наприклад, Td), називають перегрітою парою (точка d).

Процес отримання перегрітої пари (a‒d) складається з трьох послідовних стадій: підігрівання рідини до температури кипіння (а‒в), пароутворення (в‒с) за сталої температури й перегрівання пари до необхідної температури (c‒d). Усі ці стадії протікають за сталого тиску та на термодинамічних діаграмах відображається ізобарою.

Процес пароутворення в Т‒S-діаграмі відображено на рис. 2.1 в. Кількість теплоти, що витрачається на пароутворення в процесі (в‒с), називають теплотою пароутворення

Плавлення і кристалізація речовини Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=uwoCv-Hiwgc

Пара. Пароутворення. Випаровування. Конденсація Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=QrxHaiawn-g

2.1.2. Адіабатичне дроселювання

Компресорні холодильні машини залежно від агрегатного стану холодильного агента, за допомогою якого здійснюються робочі процеси циклу, діляться на парові таі газові. У парових холодильних машинах робоча речовина робить замкнутий зворотний круговий термодинамічний цикл, змінюючи свій агрегатний стан за схемою: пар-рідина-пар. У газових холодильних машинах агрегатний (газоподібний) стан робочої речовини не змінюється, причому? як робоча речовина застосовується здебільшого повітря.

Адіабатичне дроселювання ‒ це необоротне розширення газу під час його проходження крізь пристрій з малим прохідним перерізом (дросель, пориста перегородка та ін.). Процес протікає швидко, тому теплообмін із зовнішнім середовищем практично не відбувається і ентальпія речовини не змінюється. Корисна зовнішня робота не здійснюється, тому? що робота проштовхування перетворюється на теплоту тертя.

Під час адіабатичного дроселювання реального газу, на відміну від ідеального? внаслідок зміни внутрішньої енергії, виконується робота проти сил взаємодії молекул. Це призводить до зміни температури газу (ефект Джоуля-Томпсона) ‒ підвищення або зниження залежно від його попереднього стану.

Ефект Джоуля-Томпсона (дросель-ефект) ‒ зміна температури газу під час його адіабатичного дроселювання, тобто зниження тиску газу під час його протікання крізь пористу перегородку, діафрагму або вентиль без теплообміну з навколишнім середовищем. Такий ефект називають позитивним, якщо температура газу під час адіабатичного дроселювання знижується, і негативним, якщо вона підвищується. Позитивний ефект Джоуля-Томпсона використовують y техніці для отримання низьких температур, а також під час зрідження газу.

Для всіх газоподібних речовин y зоні, близькій до критичної, адіабатичне дроселювання призводить до зниження температури. У надкритичній зоні існує стан газу, що називають точками інверсії, y яких ефект зміни температури змінює знак. Сукупність цих точок ‒ це крива, яку називають інверсійною кривою. Вибираючи стан газу, що лежить під інверсійною кривою, можна здійснити процес, який супроводжується зниженням температури газу.

Процес адіабатичного дроселювання використовують для утворення помірно низьких і кріогенних температур.

Ефект Джоуля-Томсона
	Ефект Джоуля-Томсона (рис. 2.2) пояснюється тим, що внутрішня енергія газу визначається не тільки хаотичним тепловим рухом молекул. У реальному газі існують і міжмолекулярні сили взаємодії, де присутні і тяжіння, і відштовхування; співвідношення між ними визначається як природою газу, так і температурою і тиском.
Рис. 2.2. Ефект Джоуля-Томсона

Під час дроселювання проводиться внутрішня робота, яка витрачається на розсування молекул всупереч силам їх взаємного притягання. Це відбувається тому, що під час виходу газ має протистояти міжмолекулярним силам. Як результат частина енергії теплового руху молекул переходить в потенційну енергію їх взаємодії.

Відповідно температура газу знижується, хоча загальна його енергія не змінюється. Відбувається лише її перерозподіл ‒ спад кінетичної і зростання потенційної.

2.1.3. Вихровий ефект (Ефект Ранка-Хілша)

Ефект Ранка-Хілша (рис. 2.3) – розділення газу або рідини під час закручування в циліндричній або конічній камері на дві фракції. На периферії утворюється закручений потік з більшою температурою, а в центрі ‒ закручений охолоджений потік, причому обертання в центрі відбувається в ту ж сторону, що і на периферії.

Рис. 2.3. Ефект Ранка-Хілша

Ефект, що виникає під час подавання стисненого повітря з температурою, яка дорівнює температурі навколишнього середовища, по тангенціальному вводу в трубу зумовлює те, що температура повітря біля стінок труби буде вищою, а в центрі ‒ нижчою, ніж температура повітря на вході в трубу.

Таке явище викликане тим, що швидкість обертання повітря в трубі є різною: біля центральної частини вона більша, ніж на периферії. Якщо розділити периферійну і центральну частини потоку, то можна отримати потоки повітря з низькою i високою температурами.

Утворення охолодженого та нагрітого потоків є результатом перерозподілу енергії стиснутого газу, що входить до вихрової трубки.

	За відсутності теплообміну з навколишнім середовищем сумарна кількість енергії охолодженого та нагрітого потоків згідно з законом збереження енергії дорівнює кількості енергії газу, що надходить:
, де ‒ витрата стиснутого, охолодженого та нагрітого потоків газу відповідно, кг/с; ‒ питома ентальпія стиснутого, охолодженого та нагрітого потоків газу, Дж/кг.

Незважаючи на порівняно низьку енергетичну ефективність процесу вихрового температурного розділення газів, іноді доцільно використовувати вихрові холодильно-нагрівні апарати.

Ця доцільність обумовлена такими особливостями робочого процесу та конструкцією цих апаратів:

1. У вихровій трубці можливе одночасне здійснення кількох процесів, наприклад, охолодження та нагрівання газів, охолодження та осушення чи очищення холодного газу тощо. 2. Робочим тілом вихрової трубки може бути будь-який газ чи суміш газів, а також багатофазні суміші. 3. Невеликі розміри та маса іноді є визначальними критеріями переважного використання вихрових апаратів. Ці якості дозволяють створювати не тільки компактні, легкотранспортуючі, а й y деяких випадках економічні установки. 4. Невибагливість в обслуговуванні та регулюванні, простота конструкції, відсутність рухомих деталей та складних ущільнювальних елементів визначають високу надійність роботи апаратів у важких умовах експлуатації.

Однак, суттєвим недоліком вихрової труби є порівняно низька термодинамічна ефективність процесу енергетичного розділення, тому під час використання вихрових труб y складі холодильно-нагрівних установок прагнуть до максимальної утилізації енергії потоків, що виробляються y вихровій трубці.

Принципіальні схеми холодильно-нагрівних установок наведено на рис. 2.4.

Стиснутий газ проходить теплообмінник 1, де охолоджується (рис. 2.4 a), або нагрівається (потоком охолоджувального чи нагрітого газу, що виходить з термокамери 3. Далі стиснутий газ надходить y вихрову трубу 2, де розділяється на охолоджувальний та нагрівний потоки. Один з них (залежно від призначення установки) спрямовується в термокамеру, а звідти в теплообмінник стиснутого газу. Охолоджувальний потік з теплообмінника 1 можна подавати на охолодження камери розділення вихрової труби (рис. 2.4 в).

Рис. 2.4. Схема регенеративних холодильно-нагрівних установок: а – холодильна установка; б – нагрівальна установка; в – холодильна установка з охолоджувальною вихровою трубкою

2.1.4. Ефект Пельтьє

Ефект Пельтьє ‒ термоелектричне явище, під час якого відбувається виділення або поглинання тепла під час проходження електричного струму в місці контакту (спаю) двох різнорідних провідників.

Причина виникнення явища Пельтьє. На контакті двох речовин є контактна різниця потенціалів, яка створює внутрішнє контактне поле. Якщо через контакт протікає електричний струм, то це поле буде або сприяти проходженню струму, або перешкоджати. Якщо струм йде проти контактного поля, то зовнішнє джерело має витратити додаткову енергію, яка виділяється в контакті, що призведе до його нагрівання. Якщо ж струм йде за напрямом контактного поля, то він може підтримуватися цим полем, яке і здійснює роботу з переміщення зарядів. Необхідна для цього енергія відбирається у речовини, що призводить до охолодження його в місці контакту.

Ефект Пельтьє пояснюється тим, що середня енергія носіїв заряду по обидві сторони контакту різна. Під час переходу електронів з одного провідника в інший вони або передають надлишкову енергію атомам (поблизу контакту виділяється тепло), або поповнюють енергію за рахунок атомів (поглинається теплота). Під час переходу з напівпровідника в метал електрони віддають надлишкову енергію. Якщо напрям струму зміниться на протилежний, то з металу в напівпровідник можуть вийти тільки ті електрони, які володіють достатньою енергією. Теплова рівновага порушується і відновлюється за рахунок теплових коливань кристалічної решітки. При цьому поглинається теплота Пельтьє. Наявність тепла Пельтьє означає, що кінетична енергія електронів під час переходу з одного матеріалу в іншій змінилася. На рис. 2.4 зображено схему досліду з вимірювання тепла Пельтьє, де в спайці А струм йде від металу 1 до металу 2, а в спайці Б ‒ навпаки. Отже, в одному калориметрі відбувається нагрівання, а в іншому ‒ охолодження.

Рис. 2.5. Ефект Пельтьє

	Ефект Пельтьє Джерело: https://www.youtube.com/shorts/xmd2YW0QwUk

2.1.5. Сорбція

Сорбційні холодильні машини відносяться до класу тепловикористальних машин.

Сорбцією – від латинського слова «sorbco» (поглинати, втягувати) називається будь-який природний процес поглинання однієї речовини іншою (сорбентом) незалежно від механізму поглинання.

Залежно від механізму поглинання розрізняють адсорбцію і абсорбцію.

Адсорбція – процес поглинання газів і парів агента твердим поглиначем, який називається адсорбентом.

Абсорбція – процес поглинання газів або парів агента рідким поглиначем, який називається абсорбентом.

Для того, щоб одне тіло поглинало інше необхідно існування сили, яка здатна рухати цей процес (рис. 2.6).

Рушійною силою сорбційних машин є відсутність механічної рівноваги між станом речовини, що поглинається, всередині сорбенту, на його поверхні і далеко від нього.

Адсорбція обмежується насиченням поверхні твердого тіла.

Абсорбція супроводжується хімічною реакцією з утворенням нової речовини, яка в хімії називається (хемосорбцією).

Таким чином, сорбційні процеси відрізняються механізмом, з чого випливає і назва цих машин.

Робочою речовиною в таких машинах є суміш холодильного агента (робочої речовини) і сорбенту.

Рис. 2.6. Фізична (а) та хімічна (б) адсорбція

Фазовий стан холодильного агента – пара.

Процеси внутрішнього охолодження робочого тіла й відводу тепла від об’єкта охолодження здійснюються в абсорбційних холодильних машинах так само, як і в парових компресійних установках. Їхня основна особливість полягає в тому, що вони споживають не механічну, а теплову енергію. Звідси випливають їхні достоїнства й недоліки.

Абсорбційні машини прості за конструкцією (крім насосів для перекачування рідини, у них немає інших механізмів, що рухаються), дешеві у виготовленні, надійні, малошумні. Їх можна розміщати поза приміщеннями на відкритих майданчиках під легкими навісами для захисту від опадів. Головний недолік – невисока енергетична ефективність. Для вироблення однакової кількості холоду абсорбційним холодильним машинам потрібно більше енергії, ніж парокомпресійним. Це пояснюється тим, що в агрегаті холодильника абсорбційного типу, що живиться від електромережі, споживана електрична енергія спочатку перетворюється в теплову, яка потім забезпечує вироблення холоду.

У великих промислових установках використовувати електроенергію необов’язково. Якщо ж на об’єкті є надлишкові теплові ресурси, у вигляді пари або гарячої рідини (тепло яких іноді навіть «скидають» у навколишнє середовище), то абсорбційні машини стають вигідніші парокомпресійних. Саме в таких випадках головним чином і використовують абсорбційні машини.

Абсорбцією називається процес поглинання пари однієї речовини іншою (рідкою) речовиною ‒ абсорбентом; при цьому температура пари, що абсорбується може бути нижчою температури абсорбенту. Процес абсорбції може протікати тільки за концентрації пари, рівної або більшої рівноважної концентрації абсорбуючої пари над абсорбентом.

Дію термохімічного компресора засновано на використанні екзотермічних процесів змішання й ендотермічних – поділу.

Рис. 2.7. Хімічні реакції

Ендотермічна реакція ‒ хімічна реакція, під час якої реагуюча система поглинає теплоту з навколишнього середовища. Екзотермічна реакція ‒ хімічна реакція, під час якої з реагуючої системи в навколишнє середовище виділяється теплота.

В абсорбційних установках, як правило, застосовуються дві речовини – робочий агент і абсорбент (поглинач), що мають різні нормальні температури кипіння й мають властивість утворювати за адіабатного змішання суміші з температурою, яка відмінна від температур речовин, що змішуються.

Для створення холодильного циклу в абсорбційній холодильній установці рідкі абсорбенти мають з достатньою швидкістю поглинати холодоагент і за однакового тиску температура їх кипіння має бути значно вищою за температури кипіння холодоагента.

Вимоги до бінарної суміші, застосовуваної для абсорбційних холодильних установок, відносно впливу її на метали, пожежної безпеки, санітарії й гігієни не відрізняються від вимог, взагалі пропонованих до холодоагентів.

Найбільше застосування одержали водоаміачні абсорбційні установки, у яких аміак є холодоагентом, а вода – поглиначем – абсорбентом. Аміак активно абсорбується водою: за 0 °С у одному обсязі води розчиняється до 1148 обсягів пароподібного аміаку. Поглинання або абсорбція рідкого аміаку у воді супроводжується значним виділенням тепла (близько 190 ккал на 1 кг аміаку). Ще більша кількість тепла виділяється під час розчинення у воді парів аміаку, тому що при цьому відбувається виділення теплоти паротворення, у середньому рівної 300 ккал/кг.

Питання для самоконтролю

1. Назвіть основні способи отримання низьких температур. 2. У чому полягає особливість фазового перетворення речовин? 3. У чому полягає фізична сутність ефекту Джоуля-Томсона? 4. У чому полягає фізична сутність ефекту Пельтьє? 5. Який процес називають сублімацією? 6. У чому полягає фізична сутність ефекту Ранка-Хілша? 7. Охарактеризуйте процес адіабатного дроселювання. 8. Який принцип роботи вихрової трубки? 9. Як здійснюється процес дроселювання? 10. На чому засновано роботу абсорбційних холодильних машин? 11. На чому засновано роботу адсорбційних холодильних машин?

Попередня тема

На початок

Наступна тема