Процессы охлаждения, холодильные циклы

Понижение температуры охлаждаемого объекта достигается отводом от него теплоты с помощью забортной воды, атмосферного воздуха или рабочего тела. В первом случае процесс охлаждения возможен, если температура охлаждаемого груза выше температуры окружающей среды. Он протекает без затрат энергии и называется естественным. К этому процессу относится и охлаждение объекта природным льдом, аккумулирующим естественный холод. Во втором случае, когда температура охлаждаемого объекта ниже температуры окружающей среды, теплота от него отводится рабочим телом, - хладагентом, имеющим еще более низкую температуру. Согласно второму закону термодинамики, для того чтобы хладагент смог передать полученную от объекта охлаждения теплоту более теплой окружающей среде, нужно затратить энергию. Такое охлаждение называется искусственным, и его предел ограничивается температурой рабочего тела. В основе искусственного охлаждения лежат физические процессы изменения агрегатного состояния вещества (плавление, кипение, сублимация), расширения и дросселирования газа, вихревого эффекта Ранка, термоэлектрического эффекта Пельтье, магнетокалорического эффекта.

Плавление - переход рабочего тела из твердого состояния в жидкое, происходящий с поглощением теплоты плавления. Например, при охлаждении рыбы на рефрижераторных судах широко используется лед. Для получения более низких температур плавления (таяния) применяются смеси хлористого натрия и хлористого кальция со льдом. В зависимости от процентного состава смеси температуру таяния можно понизить соответственно до 251,8 К (-21,2°С) и 218 К (-55 °С).

Кипение - переход рабочего вещества из жидкого состояния в парообразное, происходящий при температуре кипения. При этом затрачивается определенное количество энергии, оцениваемое теплотой парообразования. Для создания охлаждающего эффекта могут использоваться различные жидкости, включая и воду, однако наибольшее распространение получили вещества с низкой температурой кипения при атмосферном давлении. К ним в первую очередь относятся фреоны - углеводные и углеводородные соединения и аммиак. Процессы охлаждения с применением этих веществ лежат в основе большинства способов искусственного охлаждения.

Сублимация - переход твердого тела в газообразное, минуя жидкое состояние. При этом затрачивается теплота сублимации. Сублимация широко используется в пищевой промышленности при применении сухого льда, температура сублимации которого при нормальных атмосферных условиях равна -78,5 °С. Низкая температура кипения обеспечивает быстрое и эффективное охлаждение продуктов.

При расширении газа его внутренняя энергия расходуется на преодоление потенциальной энергии взаимодействия молекул и на совершение внешней работы, что понижает его температуру. Наибольший эффект достигается при адиабатическом расширении (без теплообмена с внешней средой). Например, адиабатическое расширение воздуха от 0,4 до 0,1 МПа сопровождается понижением его температуры от +20 до - 75 °С.

Дросселированием называется резкое падение давления жидкости или газа при их протекании через узкие места (диафрагму, вентиль, пористую среду, капилляр и др.) в системах охлаждения.

При дросселировании температура понижается за счет расходования внутренней энергии на преодоление сил взаимодействия между молекулами (эффект Джоуля - Томсона). Внешней работы при этом не совершается.

Последние два процесса нашли применение в газовых н воздушных холодильных установках,

Вихревой эффект Ранка рассмотрим на примере вихревого холодильника (рис. 1.2). Он представляет собой трубу 2 с улиткой З, в которую по касательной подается сжатый воздух. Угловая скорость воздушной струи в зоне центра трубы в первоначальный момент значительно выше, чем у периферии. В процессе вращения за счет трения между слоями воздуха происходит выравнивание скоростей внутри потока. Внутренние слои воздуха, теряя скорость, отдают кинетическую энергию внешним. Поэтому внешние слои выходят через дроссель 1 нагретыми, а внутренние - холодными через диафрагму 4. Охлажденный поток направляют в объект охлаждения, а нагретый - в окружающую среду. По мере прикрытия дросселя 1 повышается давление в трубе и увеличивается расход холодного воздуха при одновременном уменьшении потока нагретого воздуха. При этом меняется и температура в воздушных потоках.

Несмотря на низкую эффективность, этот способ ввиду своей простоты применяют в судоремонте, металлообработке и т. д.

Известный из курса физики термоэлектрический эффект Пельтье можно использовать в электрической цепи из двух полупроводников, обладающих дырочной и электрон-

Рис. 1.2. Вихревой холодильник

ной проводимостью (рис. 1.3). Если к электронному полупроводнику подключить положительный полюс источника постоянного тока, то в месте соединения (спая) ветвей температура понижается, а в противоположной стороне возрастает. При обратном направлении тока холодный спай будет нагреваться, а горячий - охлаждаться. Снижение температуры происходит из-за того, что движущиеся по ветви термоэлемента электроны под воздействием электрического поля переходят в новое состояние с более высокой энергией. При этом энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжения. При обратном направлении движения тока электроны переходят на более низкий энергетический уровень, отдают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спаи термоэлемента. Таким образом, термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины, способной переносить теплоту от охлаждаемой среды в окружающую.

Положительной особенностью эффекта Пельтье является использование электрической энергии без промежуточных преобразований для понижения температуры и переноса теплоты с низкого температурного уровня на более высокий. Термоэлектрические охлаждающие устройства используются в автономных кондиционерах, холодильных шкафах, охладителях напитков и т. д.

Машина, предназначенная для искусственного охлаждения какого-либо объекта с помощью подводимой энергии, называется холодильной (ХМ).

Наибольшее распространение в искусственном охлаждении получили процессы кипения рабочих тел при низких температурах. Такие рабочие тела называются холодильными агентами, или хладагентами. При кипении холодильного агента образуется пар. В зависимости от способа сжатия его паров различают паровые компрессионные и тепло использующие - пароэжекторные и абсорбционные - холодильные машины.

Рассмотрим принцип работы паровой компрессионной холодильной машины (рис. 1.4). Охлаждаемое помещение оборудовано змеевиком, называемым испарителем И, внутрь которого подается жидкий хлад-

Рис. 13. Схема термоэлемента Пельтье

агент. Он кипит внутри змеевика с температурой значительно ниже температуры воздуха охлаждаемого помещения, отводя от него теплоту Qo, необходимую для поддержания процесса кипения. Температура воздуха в охлаждаемом помещении понижается. Пары хладагента, образовавшиеся при кипении, отсасываются компрессором КМ и сжимаются. При этом

повышаются их давление и температура. Сжатые пары с температурой, превышающей температуру охлаждающей среды (воды или воздуха), направляются в конденсатор КД. В конденсаторе КД пары хладагента передают теплоту, отведенную из охлаждаемого помещения, Qo и теплоту, эквивалентную затраченной работе на сжатие в компрессоре, охлаждающей среде. При этом сами пары хладагента конденсируются, превращаются в жидкость, отличающуюся температурой и давлением от жидкости в испарителе И. Поэтому npi переходе жидкого хладагента и конденсатора в испаритель И давление его понижается с помощь* дроссельного устройства Др. В испарителе И жидкий хладагент вследствие понижения давления начинае вновь кипеть при низкой темпера туре, образуя пар и отводя теплот из охлаждаемого помещения. Цик повторяется вновь.

Когда в холодильной машине вместо компрессора для отсоса сжатия паров хладагента используется эжектор, то ее называют паро- эжекторной (рис. 1.5).

Рабочий пар котла ПК, проходя через сопло эжектора Э, создае разряжение, в результате чего да! ление в испарителе И понижаете: При определенном давлении хла, агент в испарителе закипает, з; бирая теплоту из окружающей ср ды. Образовавшиеся пары хла, агента за счет разности давлеш поступают в камеру смешения эже тора, где смешиваются с рабоч^ паром котла. Проходя далее чер диффузор Д эжектора, скорое смешанного пара резко падае и он сжимается, повышая свое да ление и температуру. В конденс торе КД за счет повышенной темг ратуры смешанный пар отдает те лоту рабочего пара и теплоту, ОТЕ денную от охлаждаемого объею воде, а сам конденсируется. Отсю основная часть жидкости nnTaTej ным насосом Н подается в кот< а оставшуюся часть жидкости в кс денсаторе КД вновь направля в испаритель И, понижая давлеь с помощью дроссельного устройа Др до состояния кипения. Ц* повторяется сначала.

Достоинством пароэжекторн холодильных машин является возможность прямого использования тепловой энергии для передачи отведенной теплоты от более холодной в более нагретую среду. Однако при использовании воды в качестве хладагента подобные установки могут работать только при плюсовых температурах кипения в испарителе И. По сравнению с компрессионными пароэжекторные холодильные машины имеют весьма ограниченное применение на рефрижераторном и морском флотах. В абсорбционных холодильных машинах пары хладагента после кипения в испарителе поглощаются жидким хладагентом. Полученный раствор насосом Н подается в специальный кипятильник, в который подводится теплота для выпаривания хладагента из раствора. Выпарившиеся пары с повышенным давлением и температурой направляются в конденсатор КД, где конденсируются и после дросселирования вновь закипают в испарителе И. Этот тип холодильных машин не нашел применения на судах.