Физические принципы искусственного 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 от более нагретого тела переходит к менее нагретому (среде).

Искусственное охлаждение предполагает получение температуры охлаждаемой среды ниже температуры окружающей среды. 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 адиабатическом дросселировании газа с начальной температурой меньшей, чем температура верхней точки инверсии; адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы; 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.

 

 

Обратный цикл Карно.

Для непрерывного охлаждения машинными способами помимо охлаждаемого тела и приемника теплоты требуется третье тело, переносящее теплоту от первого ко второму. Это третье тело называется рабочим телом или холодильным агентом. Холодильный агент, претерпевая ряд изменений, должен возвращаться в первоначальное состояние, непрерывно участвуя в круговом процессе, или цикле. Подобный цикл называется термодинамическим. В отличие от прямого цикла (цикл тепловой машины), когда работа производится при переходе теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, круговой процесс, в котором для передачи теплоты от менее нагретого тела к более нагретому необходимо подводить энергию (или теплоту), называется обратным циклом. Различают три вида обратного цикла: холодильный 1-2-3-4, в котором теплота переносится от охлаждаемого тела с температурой Тн к окружающей среде с температурой Тос;теплового насоса 5-6-7-8, в котором теплота переносится от окружающей среды к телу с более высокой температурой Тв; комбинированны й 9-10-11- 12, состоящий из двух первых.Если при осуществлении процессов, образующих обратный цикл, увзаимодействующих тел не наблюдаются остаточные изменения, т.е. эти процессы обратимы, то и обратный цикл обратим. На осуществление обратимого цикла требуется минимум работы или теплоты, поэтому он является эталоном. Обратимый холодильный цикл 1-2-3-4, приведенный на рис. 2, показан на S- Т – диаграмме, где S — энтропия; Т— абсолютная температура .Энтропия S — это отношение ничтожно малого количества теплоты Δq, сообщенной телу (или отнятой у него) в процессе изменения его агрегатного состояния, к абсолютной температуре Т, при которой происходит это приращение теплоты, т.е. S = Δ q / Т (Дж/К).Энтропию в тепловых процессах можно рассматривать как термический заряд, который не меняется в идеализированных обратимых циклах.

 

Типы холодильных машин.

Для получ холод исп безмаш и машинные способ охлажд. Безмаш 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 поддер гигиены в охлаж помещениях.По виду затрачиваемой энергии холод маш подразд на компрессионные, теплоиспользующие и термоэлектрические. Компресс машины исп мех энергию; теплоиспользующие — тепловую от источников теплоты,t которых выше окруж среды;термоэлектрические —электрическую.

При охлажд в компрессионных и теплоиспользующих машинах теплота переносится в результате соверш рабочим телом — холод агентом (хладагентом) обрат 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 постоян электр тока по замкнутой цепи, 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 t и был источником холода, горячий спай нужно охлаждать.

Основной показатель качества термоэлемента—коэффициент эффективности вещества, опр max разность t горячего и холодного спаев.Однако они значительно дороже других холод машин.

В зависимости от вида рабочего тела (холодильного агента) холод машины, в основе принципа действия которых лежит обратный цикл Карно,подразделяют на паровые и газовые.

В качестве раб тела в паровых холод машинах исп аммиак и хладоны — фтористые и хлористые производ предельных углеводородов, в газовых — воздух.

В зависим от способа подачи раб тела в конденсатор холод маши подразделяют на компрессионные, сорбционные, сорбционные и пароэжекторные. В компрессион холод машинах рабочий цикл соверш за счет мех работы компрессора, в абсорбционных, сорбционных и пароэжекторных — за счет затрат теплоты.

Для получе требуемы t кипения и конденсации рабочего тела используют одноступенчатые, многоступенчатые и каскадные паровые компрессионные машины