Охлаждение за счет фазовых превращений

Для отвода теплоты от охлаждаемой среды в хо­лодильной технике используют следующие фазовые превращения:

Таяние водного льда и растворов солей. При превращении 1 кг льда в воду можно отвести 335 кДж теплоты, но теоретическим пределом понижения температуры охлаждаемой среды (вещества) будет 0⁰С.

Для достижения более низких температур используют льдосоляные смеси. Наиболее низкая температура смеси определяется криогидратной точкой, когда в термодинамическом равновесии находятся лед, соль и рас­сол (раствор). Этой точке соответствует эвтектическая концентрация соли.

Значения низких температур и скрытой теплоты плавления будут зависеть от вида соли и ее концентрации.

Использование соли хлористого натрия (NaCl) позволяет понизить температуру плавления льдосоляной смеси до –21,2⁰Спри содержании соли 22,4%. При этом скрытая теплота плавления будет равна 236,1 кДж/кг.

Применяя в смеси с водным льдом хлористый кальций (СаСI₂) (29,9%), можно понизить температуру плавления смеси до –55⁰С. Скры­тая теплота плавления этой смеси будет равна 214 кДж/кг.

Сублимация сухого льда в качестве источника холода предпочти­тельнее, так как отсутствие жидкой фазы (воды и раствора соли) позво­ляет избежать коррозии металлических элементов оборудования и не­обходимости удаления теплого рассола.

При атмосферном давлении сублимация сухого льда происходит при температуре –78,9⁰С, а удельная теплота сублимации равна 571 кДж/кг. Но не следует при этом забывать о стоимости сухого льда.

Использование в качестве источника холода жидкого азота (N₂) также имеет свои достоинства. Нормальная температура кипения жид­кого азота (при атмосферном давлении) равна –196⁰С. Он неядовит, невзрывоопасен. Удельная (скрытая) теплота парообразования - около 200 кДж/кг, а с учетом теплоты, отводимой при нагревании холодного пара, общая отводимая теплота составляет около 400 кДж/кг. В послед­нее время жидкий азот используют так же, как и сухой лед, в специаль­ных скороморозильных аппаратах для замораживания пищевых продук­тов и для их перевозки в авторефрижераторах.

Испарение – процесс парообразования, происходящий на свободной поверхности жидкости при температуре ниже температуры насыщения и сопровождающийся понижением ее температуры ниже окружающей.

Физическая природа испарения объясняется вылетом с поверхности молекул, обладающих большей кинетической энергией. В холодильной технике этот эффект используют в градирнях – специальных аппаратах для охлаждения воды, а также в испарительных конденсаторах.

При атмосферном давлении и температуре воды 0 С скрытая теп­лота испарения приблизительно равна 2500 кДж/кг.

Кипение – процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева при подводе теплоты.

Эффект отвода теплоты от охлаждаемой среды в процессе кипения жидкости при низких температурах широко используют в парокомпрессионных холодильных машинах. Такую, кипящую при низкой температу­ре жидкость, называют холодильным агентом (хладагентом), а аппарат, где происходит этот процесс, не совсем точно называют испарителем.

Кипение однородного («чистого») вещества происходит при посто­янной температуре (температуре насыщения), зависящей от давления.

В табл. 1.1 приведены значения давления Р_ни температуры насы­щения t_н для некоторых хладагентов, а также соответствующие значе­ния скрытой теплоты парообразования или конденсации.

Таблица 1.1 - Взаимосвязь давления с температурой насыщения и величина скрытой теплоты парообразования rдля некоторых веществ

Из таблицы видно, что вода обладает наибольшей величиной скры­той теплоты парообразования, однако для ее кипения при температуре ниже 100⁰С давление должно быть ниже атмосферного. Это сущест­венно ограничивает возможности ее использования в качестве хлада­гента. При температуре 0⁰С вода замерзает.

Дросселирование

Это один из основных процессов, протекающих в парокомпрессионной холодильной машине. Сущность его заключается в том, что при про­хождении жидкого хладагента через узкое сечение в регулирующем венти­ле (РВ) (капиллярной трубке) под действием разности давлений Р_к – Р₀ в конденсаторе и испарителе падение давления сопровождается понижением температуры всего потока.

Хладагент дросселируется мгновенно, и теплообмена между ним и окружающей средой не происходит. Следовательно, это адиабатный процесс, и понижение температуры хладагента происходит в результате того, что при увеличении скорости движения в узком сечении внутрен­няя энергия молекул возрастает, и повышенное внутримолекулярное трение приводит к тому, что часть жидкости переходит в парообразное состояние. При этом температура всего потока понижается до темпера­туры кипения хладагента в испарителе.

Таким образом, после регулирующего вентиля хладагент поступает в испаритель в виде парожидкостной смеси, и только часть циркули­рующего хладагента в действительности кипит в испарителе и произво­дит полезное охлаждение. Эта величина, называемая удельной холодо-производителъностъю q₀, будет поэтому меньше, чем величина скрытой теплоты парообразования rпри данной температуре кипения.