Теоретические основы холодильных машин

Владимир ЗЫЛЬКОВ, канд. техн. наук, доцент, член-кор. МАХ, заведующий кафедрой «Теплохладотехника» МГУП

Физические основы искусственного охлаждения

Из физики известно, что понятия «холод» и «теплота» условны, так как их физическая природа одинакова. Теплота — это один из видов энергии, который может быть преобразован в ее другие виды, и наоборот. Теплота может переходить от одного вещества (тела) к другому лишь при наличии разности температур между ними. В физике под термином «тело» понимают любое вещество независимо от его агрегатного состояния. В холодильной технике обычно имеют дело с веществами в жидком или газо­образном состоянии.

Вещества находятся в одном из трех (основных) фазовых (агрегатных) состояний — твердом, жидком или газообразном — в зависимости от окружающих условий (давления и температуры) и могут переходить из одного состояния в другое при подводе или отводе теплоты, вызывающей изменение строения вещества.

Твердая фаза — агрегатное состояние вещества, характеризуемое жесткой молекулярной структурой. Твердое тело сохраняет свою форму и размеры, практически не сжимается.

Жидкая фаза — агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы твердого тела, не так плотно соединены друг с другом. Это позволяет им более легко преодолевать силы взаимного притяжения. Жидкость практически не сжимается, сохраняет свой объем. Наиболее характерная особенность жидкости — текучесть, благодаря которой она принимает форму сосуда, в котором находится.

Газовая или паровая фаза — агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы жидкости, не связаны силами взаимного притяжения и движутся свободно. Газ легко сжимается и заполняет весь объем сосуда, в котором находится. Пар отличается от газа тем, что его состояние ближе к жидкому состоянию. Газ — это сильно перегретый пар. В парокомпрессионных холодильных машинах рабочее вещество обычно находится в жидком и парообразном состоянии, в отличие от так называемых газовых холодильных машин, в которых рабочее вещество — газ — не меняет своего агрегатного состояния.

Если температура вещества выше температуры окружающей среды (воздуха, воды и пр.), то его называют горячим (теплым или нагретым). Самопроизвольное понижение температуры вещества до температуры окружающей среды называют естественным охлаждением. Понижение температуры вещества ниже температуры окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а само вещество, температура которого ниже температуры окружающей среды, называют холодным.

Таким образом, исходя из относительности понятий холода и теплоты, можно дать следующее определение: холод — это теплота, отводимая от вещества, температура которого ниже температуры окружающей среды.

По температурному уровню различают области (рис. 1): умеренного холода — от температуры окружающей среды (условно 20 °С) до минус 120 °С; глубокого холода — от минус 120 °С до абсолютного нуля (минус 273 °С).

Искусственное охлаждение можно осуществлять двумя способами:

с помощью другого вещества с более низкой температурой за счет отвода теплоты, чаще всего при изменении его агрегатного состояния; с помощью охлаждающих устройств, холодильных машин и установок, которые составляют специализированную область техники, называемую холодильной техникой.

Прежде чем перейти к более подробному рассмотрению способов искусственного охлаждения, остановимся еще на некоторых понятиях и определениях, без усвоения которых невозможно изучение основ холодильной техники.

Количество теплоты Q измеряют в джоулях (Дж) или килоджоулях (кДж). Тепловой поток, тоже Q — это количество теплоты, отводимое (подводимое) от вещества (к веществу) в 1 с. Следовательно, тепловой поток выражают в джоулях в секунду (Дж/с) или в килоджоулях в секунду (кДж/с). Но 1 Дж/с = 1 Вт, а 1 кДж/с = 1кВт, то есть тепловой поток как один из видов энергии выражают в тех же единицах, что и мощность. Удельная теплоемкость C — это количество теплоты в Дж (кДж), которое необходимо отвести (подвести) от вещества (к веществу) массой 1 кг, чтобы понизить (повысить) его температуру на 1 °С (или 1 К). Эта величина зависит от температуры вещества и его агрегатного состояния. В практических расчетах можно принимать следующие значения удельной теплоемкости: для воды — 4,19 кДж/(кг К), глицерина — 2,26 кДж/(кг К), водного льда — 2,095 кДж/(кг К), стали — 0,425 кДж/(кг К), воздуха при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) — 1 кДж/(кг К).

При отводе (подводе) теплоты переход через определенный температурный предел вызывает изменение агрегатного состояния. Так, при дальнейшем отводе теплоты от воды, когда ее температура уже снизилась до 0 °С, она замерзает, а при дальнейшем подводе теплоты, когда температура поднялась до 100 °С, вода закипает. Обычно теплоту, вызывающую изменение только температуры (без изменения агрегатного состояния) называют «сухой». Ее количество, необходимое для понижения (повышения) температуры вещества массой М от начальной температуры t1 до конечной t2, определяют по формуле Q = M • C • (t1 – t2).

Физические принципы получения низких температур

Охлаждение за счет фазовых превращений

При достижении твердым телом температуры плавления дальнейшего повышения его температуры не происходит, а подводимая (или отводимая) теплота тратится на изменение агрегатного состояния — превращение твердого тела в жидкость (при отводе теплоты — из жидкости в твердое тeлo). Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды. При атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) температура плавления водного льда равна 0 °С. Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг льда в воду (или наоборот), называется скрытой или удельной теплотой плавления r. Для водного льда r = 335 кДж/кг. Количество теплоты, необходимое для превращения льда массой М в воду, определяют по формуле Q = M • r.

Из сказанного следует, что одним из способов искусственного охлаждения является отвод теплоты за счет плавления вещества в твердом состоянии при низкой температуре. На практике этот способ давно и широко применяют, осуществляя охлаждение с помощью заготовленного зимой льда или с помощью замороженной в льдогенераторах воды. При плавлении чистого водного льда температуру охлаждаемого вещества можно понизить до 0 °С. Для достижения более низких температур используют льдосоляные смеси. В этом случае температура и скрытая теплота плавления зависят от вида соли и ее содержания в смеси. При содержании в смеси 22,4 % хлористого натрия температура плавления льдосоляной смеси равна минус 21,2 °С, а скрытая теплота плавления составляет 236,1 кДж/кг. Применяя в смеси хлористый кальций (29,9 %), можно понизить температуру плавления смеси до минус 55 °С, в этом случае r = 214 кДж/кг.

Сублимация — переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу, с поглощением теплоты. Для охлаждения и замораживания пищевых продуктов, а также их хранения и транспортирования в замороженном состоянии широко используют сублимацию сухого льда (твердой двуокиси углерода). При атмосферном давлении сухой лед, поглощая теплоту из окружающей среды, переходит из твердого состояния в газообразное при температуре минус 78,9 °С. Удельная теплота сублимации r = 571 кДж/кг. Сублимация замороженной воды при атмосферном давлении происходит при сушке белья зимой. Этот процесс лежит в основе промышленной сушки пищевых продуктов (сублимационная сушка). Для интенсификации сублимационной сушки в аппаратах (сублиматорах) поддерживают с помощью вакуумных насосов давление ниже атмосферного.

Испарение — процесс, парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости. Его физическая природа объясняется вылетом молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения, из поверхностного слоя. Жидкость при этом охлаждается. В холодильной технике этот эффект используют в градирнях для охлаждения воды и в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации к воздуху. При атмосферном давлении и температуре 0 °С скрытая теплота испарения воды r = 2509 кДж/кг, при температуре 100 °С — r = 2257 кДж/кг.

Кипение — процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева за счет поглощения теплоты. Кипение жидкости при низкой температуре является одним из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящую жидкость называют холодильным агентом (сокращенно — хладагент), а аппарат, где он кипит, забирая теплоту от охлаждаемого вещества, — испарителем (название не совсем точно отражает суть происходящего в аппарате процесса). Количество теплоты Q, подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле Q = M • r,где М — масса жидкости, превратившейся в пар.

Кипение однородного («чистого») вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления. С изменением давления меняется и температура кипения. Зависимость температуры кипения от давления кипения (давления фазового равновесия) изображают кривой, называемой кривой упругости насыщенного пара. Для наиболее распространенного в холодильной технике хладагента — аммиака — такая кривая приведена на рис. 2. Атмосферному давлению, равному 0,1 МПа, соответствует температура кипения аммиака минус 33°С, давлению 1,2 МПа — температура 30 °С.

Значения скрытой (удельной) теплоты парообразования и давления кипения для некоторых хладагентов при температуре кипения минус 15 °С приведены в табл. 1.

Из табл. 1 следует, что у аммиака по сравнению с другими хладагентами наибольшая скрытая теплота паро­образования, дающая ему преимущество при выборе хладагента для той или иной конкретной холодильной машины. Хладагент R12, имея значительно меньшую скрытую теплоту парообразования, обеспечивает работу холодильной машины при более низких (по сравнению с работой на аммиаке) давлениях конденсации, что для конкретных условий может иметь решающее значение.

Дросселирование (эффект Джоуля – Томпсона). Еще один из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах, заключающийся в падении давления и снижении температуры хладагента при его протекании через суженное сечение под воздействием разности давлений без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой. В узком сечении скорость потока возрастает, кинетическая энергия расходуется на внутреннее трение между молекулами. Это приводит к испарению части жидкости и снижению температуры всего потока. Процесс происходит в регулирующем вентиле или другом дроссельном органе (капиллярной трубке) холодильной машины.

Расширение с совершением внешней работы. Процесс используют в газовых холодильных машинах. Если на пути потока, двигающегося под воздействием разности давлений, поставить детандер (расширительную машину, в которой поток вращает колесо или толкает поршень), то энергия потока будет совершать внешнюю полезную работу. При этом после детандера одновременно с понижением давления будет снижаться и температура хладагента.

Вихревой эффект (эффект Ранка – Хильша). Создается с помощью специального устройства — вихревой трубы. Основан на разделении теплого и холодного воздуха в закрученном потоке внутри трубы.

Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье). Его используют в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электрического тока. ●