Охолодження за допомогою процесів фазового переходу

Існує три агрегатних стани речовини: тверде тіло, рідина і газ.

Тверде тіло має жорстку молекулярну структуру, положення кожної молекули зафіксовано, а самі молекули здійснюють коливальні рухи відносно цього положення. Тверда речовина зберігає свої розміри, форму та майже не стискається.

Рідке тіло не має жорсткої молекулярної структури, молекули мають більше свободи для переміщення. Речовина в рідкому стані набуває форми ємності, в якій розміщена і практично не стискається.

Молекули газоподібного тіла не пов'язані між собою силами взаємного притягання, постійно перемішуються, безперервно зіштовхуються між собою та стінками ємності. Газоподібна речовина легко стискається.

Речовина може переходити з одного агрегатного стану в інший. Особливістю усіх процесів фазового переходу є постійна температура. Для здійснення процесів фазового переходу витрачається певна кількість теплоти.

Кількість теплоти, яка необхідна для фазового переходу 1 кг речовини з од­ного агрегатного стану в інший, називається питомою теплотою фазового переходу, кДж/кг.

Охолодження відбувається під час зміни агрегатного стану речовини, яке супроводжується поглинанням теплоти з навколишнього середовища:кипіння, плавлення, сублімація.

Кипіння – випаровування рідини, яке відбувається по всьому її об'єму. Температура кипіння залежить від тиску. Змінюючи тиск можна суттєво впливати на температуру кипіння. Зворотній до кипіння процес називається конденсацією, яка, на відміну від кипіння, супроводжується виділенням теплоти. Сукупність процесів кипіння та конденсації є основою для роботи компресійної холодильної машини.

Плавлення – перехід твердих тіл в рідкий стан. Для охолодження за допомогою плавлення використовують водяний лід.

Для використання льоду як охолоджувача температура його плавлення повинна бути нижчою за температуру середовища, яке охолоджують.

Фізичні властивості льоду при 0 ⁰С і атмосферному тиску такі:

- температура плавлення 0⁰С;

- теплота плавлення 335 кДж/кг

- теплоємність 2,1 кДж/(кг×К)

Кількість теплоти, яку можна відведести за допомогою льоду і льодяної води розраховується так:

Q_л = Q_н + Q_пл + Q_нв = c_л×G× t_л + q_пл + c_в×G×t_в, де

Q_л – теплота, витрачена на нагрівання льоду від температури t_л до 0 ⁰С, кДж

Q_пл – теплота, витрачена на плавлення льоду, кДж

Q_нв – теплота, необхідна для нагрівання льодяної води до температури t_в, кДж

c_л, c_в – питомі теплоємності льоду і води, кДж/кг×К

G – маса льоду або води, кг

q_пл – прихована теплота плавлення льоду, кДж/кг.

Льодяне охолодження може здійснюватися безпосереднім охолодженням і з використанням проміжного теплоносія (вода, повітря).

При безпосередньому охолодженні лід знаходиться у контакті з об'єктом. Для збільшення поверхні контакту з продуктом лід подрібнюють.

При використанні примусової циркуляції, повітря за допомогою вентиляторів пропускається через шар подрібненого льоду. При цьому значно інтенсифікується теплообмін, але зростають витрати електроенергії.

Лід можуть використовувати природний і штучний.

Природний лід заготовлюють шляхом вирізання крупних блоків із льоду, який утворюється у водоймах, пошарового наморожування води на горизонтальних поверхнях. Найкращим для харчових цілей вважається гренландський або антарктичний лід, як найбільш чистий. Лід вкривають насипною ізоляцією і зберігають на спеціальних майданчиках або у льодосховищах с постійною і тимчасовою теплоізоляцією.

Штучний лід отримують заморожуванням чистої прісної або морської води в льодогенераторах. Якість льоду, форма, розмір та спосіб отримання залежать від цільового призначення.

Для виготовлення матового льоду використовують питну воду без будь-якого її оброблення в процесі заморожування. На відміну від природного, штучний лід має молочний колір, зумовлений наявністю великої кількості пухирців повітря, які утворюються під час перетворення води в лід. Пухирці зменшують проникність льоду для світлових променів, і він стає непрозорим.

Прозорий штучний лід на вигляд нагадує скло. Під час його отримання в форму наливають воду і за допомогою форсунок продувають крізь неї стиснене повітря, яке захоплює та витягує з води пухирці повітря.

Лід з бактерицидними добавками призначений для охолодження риби, м'яса, птиці та деяких видів овочів при безпосередньому контакті. Бактерицидні добавки знижують кількість мікроорганізмів в продуктах.

При змішуванні подрібненого водяного льоду з різними солями крім теплоти танення льоду поглинається теплота розчинення солі у воді, що дає змогу значно знизити температуру суміші. Розчин може бути охолоджений до кріогідратної точки.

Недолік льодового охолодження: за допомогою льоду не можна отримати температуру в об'ємах, які охолоджуються, нижчу з 8 ⁰С, що не дає змоги використовувати його для тривалого зберігання продуктів.

Льодосольове охолодження. Для того, щоб отримати нижчі температури, ніж при охолодженні чистим льодом, застосовують лід у суміші з сіллю. У такій суміші одночасно здійснюються процеси розчинення солі і плавлення льоду з утворенням води і подальшим розчиненням солі. На плавлення льоду і розчинення солі витрачається теплота суміші, тому її температура знижується. При збільшення концентрації солі температура плавлення і замерзання льодосольової суміші зменшуються. Найменша температура фазового переходу суміші називається кріогідратною точкою, а концентрація солі, яка відповідає цій температурі – евтектичною (рис. 1.2). 

 

Рис. 1.2 Діаграма стану системи хлорид кальцію-лід

 

 

В кріогідратній точці всі три фази льодосольової суміші (розчин, сіль, лід) знаходяться у термодинамічній рівновазі. При подальшому підвищення концентрації солі в суміші температура плавлення не зменшується, а збільшується.

Таким чином, суть льодосольового охолодження полягає у додаванні неорганічних солей до льоду для зниження температури його плавлення. Чим менша температура плавлення, тим більше поглинається теплоти з навколишнього середовища.

Евтектичним розчином заповнюють металеві місткості (до 90-94 % їх об'єму), заморожують при температурах, нижчих за температуру плавлення евтектика, після чого розміщують їх в об'ємах, які охолоджуються. Там при поглинанні тепла евтектик тане при сталій температурі, забираючи теплоту з оточуючого середовища.

Таблиця 1.1 – Характеристика льодосоляної суміші (NaCl)

Співвідношення солі до маси льоду	Температура плавлення суміші, ^оС	Холодопродуктивність 1 кг суміші, кДж/кг	Середня густина розчину при 15 ^0С
0 5 10 15 20 25 30	0 -3,1 -6,2 -9,9 -13,7 -17,8 -21,2	333 314 285 260 239 214 193	1,000 1,031 1,067 1,098 1,114 1,152 1,174

Змінюючи місткість ємностей та їх кількість можна забезпечити охолодження достатньо великих об'ємів камер. Крім того, вони можуть бути використані як додаткові джерела холоду в години пікових навантажень у стаціонарних холодильниках.

Сублімація – перетворення твердих тіл в газоподібний стан, обминаючи рідку фазу. Для охолодження таким способом використовують твердий діоксид вуглецю.

Як охолоджуюче середовище сухий лід має значні переваги перед водяним льодом: холодопродуктивність на одиницю маси в 1,9, на одиницю об'єму в 7,9 разів більша; при атмосферному тиску сухий лід переходить в газоподібний стан, оминаючи рідку фазу, що виключає зволоження поверхні продукту. Внаслідок низької температури сублімації сухого льоду (-78,9 ^оС) та виділенню газоподібного діоксиду вуглецю знижується концентрація кисню над поверхнею продукту, створюються несприятливі умови для розвитку мікроорагнізмів.

Сухий лід укладають на поверхню упаковок продуктів та між ними і використовують як охолоджувальне середовище для зберігання морозива, фруктів та ягід.

Здійснити охолодження за допомогою плавлення льоду або сублімації вуглекислого газу можна лише маючи значні запаси робочої речовини. Тому під час машинного охолодження частіше за все використовують здатність деяких робочих тіл кипіти за низьких температур. Забезпечити безперервне охолодження можна при використанні однієї і тієї ж кількості холодильного агента, якщо після отримання холодильного ефекту повернути робоче тіло в початковий стан. Зниження тиску робочого тіла дає змогу знизити температуру його кипіння до потрібної величини. Зниження температури кипіння холодильного агента збільшує кількість поглинутої ним теплоти.

Основні вимоги до газів, які обрано робочими тілами холодильних машин:

- зріджений газ під час кипіння повинен поглинати якомога більше теплоти, тобто мати високу теплоту пароутворення;

- під час переходу з рідкого стану в газоподібний не повинна утворитися велика кількість парів;

- кипіння зрідженого газу та перетворення його назад в рідкий стан повинне відбуватися за низького тиску і температури.

Фазовий перехід робочого тіла для отримання низьких температур використовується в парокомпресійних, абсорбційних, сорбційних та пароежекторних холодильних машинах.

Компресійні парові машини. Більшість діючих сьогодні холодильних машин – парокомпресійні, основними елементами яких є випарник, компресор, конденсатор, регулювальний вентиль та прилади автоматики. За типом компресора такі машини поділяються на поршневі, відцентрові, гвинтові та ротаційні. Докладніше про будову та принцип роботи компресійних холодильних машин описано в наступній лекції.

Абсорбційні холодильні машини. Абсорбційні холодильні машини відрізняються від компресійних тим, що їх робота здійснюється із затратами теплової енергії. Іншими словами, відведення теплоти від об'єкта в навколишнє середовище відбувається за рахунок підведення зовнішньої енергії у вигляді теплоти, а не роботи.

Схема абсорбційної холодильної машини наведено на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Схема абсорбційної холодильної машини В – випарник; Аб – абсорбер; Н – насос; КП – генератор (кип'ятильник); КД – конденсатор; РВ1 і РВ2 – регулювальні (дросельні) вентилі

Робочим тілом абсорбційної холодильної машини є бінарний розчин (аміак-вода або вода-бромід літію). За однакового тиску компоненти бінарного розчину мають різну температуру кипіння. Речовину з меншою температурою кипіння називають холодильним агентом, а з більшою – абсорбентом. При використанні розчину аміак-вода холодильним агентом виступає аміак, а у випадку застосування суміші вода-бромід літію холодильним агентом є вода.

Водоаміачні машини використовують для отримання відносно низьких температур (до –70 °С), а бромистолітієві – для більш високих.

Холодильний агент кипить у випарнику В за рахунок теплоти Q ₀, яка відводиться від об'єму, який охолоджується. Пароподібний холодильний агент інтенсивно поглинається в абсорбері Аб слабким водоаміачним розчином. Поглинання супроводжується виділенням теплоти Q _Аб, яка відводиться в навколишнє середовище або охолоджувальну воду. Насичений аміаком розчин із абсорбера Аб перекачується насосом Н в генератор (кип'ятильник) КП. Генератор нагрівається від зовнішнього джерела теплоти (Q _КП) і з розчину випаровується чистий холодильний агент – аміак. Збіднений розчин через вентиль РВ₂ відводиться в абсорбер з одночасним зниженням тиску від р_к до р₀. Пароподібний холодильний агент з тиском р_к подається в конденсатор КД і при відведенні теплоти конденсується (переходить із пароподібного стану в рідкий). Рідкий холодильний агент через вентиль РВ₁ подається у випарник В зі зниженням тиску від р_к до р₀.

За наведеною схемою працюють холодильні машини великих підприємств харчової та хімічної промисловості.

На підприємствах торгівлі, в готелях та побуті використовують абсорбційні холодильні машини, які працюють за безнасосною схемою (рис. 1.4).

Функцію насосу для створення різниці тисків конденсації р _к і кипіння р ₀ виконує інертний до холодильного агента та абсорбента газ – водень.

Абсорбційні холодильні машини перспективні з точки зору економії паливно-енергетичних ресурсів, оскільки дають змогу використовувати вторинні ресурси (відпрацьована пара, гаряча вода), теплоту ТЕЦ в неопалювальний період. В абсорбційних машинах не використовуються хлорфторвуглеводні, які негативно впливають на озоновий шар. Використання таких холодильних машин дозволяє уникнути викидів машинного мастила в навколишнє середовище.

Абсорбційні холодильні машини працюють при температурі зовнішнього джерела теплоти 70 – 180 °С (частіше 155 – 180 °С). Діапазон температур до               70 °С при цьому не реалізується, відповідно теплота частіше за все викидається в атмосферу. Проте в такому діапазоні температур можуть працювати сорбційні холодильні машини.

Сорбційні холодильні машини. В даному типі машин використовують робочі суміші з повною взаємною розчинністю компонентів (ацетон і пропанбутанова суміш, водні розчини роданіду амонію тощо). За допомогою сорбційних машин можливо отримувати холод на рівні –30 °С.

Область застосування сорбційних холодильних машин – побутові холодильники, кондиціонери та автомобільний транспорт. В побутових холодильниках і кондиціонерах можливе використання енергії сонячного випромінювання за допомогою сонячних колекторів. Сорбційні холодильні машини, встановлені на холодильниках агропромислового комплексу і торгівлі, дають змогу додатково виробляти холод використанням теплоти перегріву парів холодильного агента і теплоти охолоджуючого мастила гвинтових компресорів.

Рис. 1.4 Схема безнасосної абсорбційної холодильної машини 1 – нагрівач; 2 – термосифон; 3 – кип'ятильник (генератор); 4 – ректифікатор; 5 – конденсатор; 6 – збірник водню; 7 – випарник; 8 – холодильна шафа; 9 – теплообмінник; 10 – збірник; 11 – абсорбер; 12 – теплообмінник

1.4.2 Адіабатичне дроселювання газу (ефект Джоуля-Томсона)

Дроселювання виникає, коли на шляху потоку газу чи рідини встановлюється перешкода у вигляді пористої перегородки, вентиля чи просто звуження самого перерізу потоку діафрагмою, а далі потік знову рухається у широкому перерізі.

Адіабатним називається процес, що проходить лише за рахунок внутрішньої енергії тіла, без підводу теплоти ззовні і без передачі її навколишньому середовищу.

Адіабатичне дроселювання – це процес необоротного розширення газу або рідини після проходження його через перегородку з малим прохідним перетином (дросель, пориста перегородка) без здійснення корисної зовнішньої роботи і теплообміну з навколишнім середовищем. Іншими словами, газ або рідина швидко переходять від зони високого тиску до низького (рис. 1.5).

Рис. 1.5 Схема адіабатичного дроселювання газу

 

Залежно від властивостей і стану речовини, яка дроселюється, її внутрішня енергія (Ев) за дросельною ділянкою може стати більшою або меншою. Параметри стану речовини при цьому змінюються. Відповідно кінцева температура речовини може збільшитися, знизитися або залишитися без змін, порівняно з початковою. Точка, яка відповідає початковому стану речовини, в якій температура при адіабатичному дроселюванні не змінюється, називається точкою інверсії, а температура, що відповідає цій точці – температурою інверсії.

Більшість газів, окрім водню і гелію, мають достатньо високу температуру інверсії (600 °С і вище), тому практично для всіх газоподібних речовин адіабатичне дроселювання призводить до зниження температури.

Зміна Е_в відбувається в результаті механічної взаємодії речовини з середовищем. Дану взаємодію можна умовно розглядати як рух двох поршнів А і Б разом з потоком речовини (рис. 1.5).

Ліворуч від поршня А на нього діє середовище. В результаті між поршнями А і Б виконується робота над потоком речовини і вона має від'ємний знак:

р₁·F₁·s₁ = - p₁·V₁

F₁ – площа поршня;

s₁ – хід поршня;

р₁ – тиск до зони дроселювання;

V₁ – об'єм, який витіснено поршнем.

Ця робота збільшує внутрішню енергію середовища між поршнями і називається внутрішньою роботою проштовхування.

За рахунок внутрішньої енергії речовини між поршнями А і Б поршень Б виконує роботу і витісняє середовище праворуч від себе. В цьому випадку робота зменшує внутрішню енергію речовини між поршнями:

р₂·F₂·s₂ = p₂·V₂

Сумарна об'ємна робота, яку виконує речовина становить:

p₂·V₂ – p₁·V₁ < > 0

Даний вираз відповідає роботі проштовхування газу крізь дросель.

Слід зазначити, що кінетична енергія теплового руху молекул має додатній знак, а потенціальна енергія взаємного тяжіння – від'ємний. Зі збільшенням об'єму потенціальна енергія збільшується. Під час дроселювання відбувається збільшення об'єму речовини V₂  > V₁, тому збільшується і від'ємна складова внутрішньої енергії.

Якщо p₂·V₂ – p₁·V₁ > 0, то середовище між поршнями витрачає внутрішню енергію на виконання об'ємної роботи над зовнішнім середовищем. В цьому випадку зниження температури (зменшення кінетичної енергії молекул) буде проходити як наслідок росту від'ємної складової внутрішньої енергії середовища завдяки збільшенню об'єму, так і в результаті витрат внутрішньої енергії середовища між поршнями на виконання об'ємної роботи.

Якщо p₂·V₂ – p₁·V₁ < 0, то зовнішнє середовище за рахунок об'ємної роботи збільшує внутрішню енергію середовища між поршнями. Тут можливі декілька варіантів:

- якщо збільшення внутрішньої енергії в результаті об'ємної роботи менше, ніж зростання від'ємної складової внутрішньої енергії, пов'язаної з ростом об'єму, то відбудеться зниження температури;

- якщо об'ємна робота компенсує зростання від'ємної складової внутрішньої енергії, пов'язаної з ростом об'єму, то температура при дроселюванні не зміниться;

- якщо буде надлишок об'ємної роботи, температура при дроселюванні збільшиться.

При p₂·V₂ – p₁·V₁ = 0 зниження температури буде відбуватися лише в наслідок збільшення від'ємної складової внутрішньої енергії, пов'язаної зі збільшенням об'єму.

Адіабатичне дроселювання газу в детандері (розширювачі) використовують для отримання кріогенних температур в повітряних холодильних машинах. Холодопродуктивність повітряних холодильних машин становить 30–60 кВт. Вони не є широко розповсюдженими, проте іноді використовуються для швидкого охолодження плодів, овочів, ягід та кулінарних виробів.

Вихровий ефект Ранка-Хільша

Під час подачі стиснутого повітря, яке має температуру навколишнього середовища, в циліндричну трубу по дотичній до її поверхні, центральна частина потоку буде мати більшу швидкість, ніж периферійна. Через це температура повітря біля стінки труби буде вища, а в центрі – нижча за температуру повітря, що подається в трубу.

З термодинамічної точки зору процеси у вихровій трубі полягають в тому, що шари повітря, які обертаються поряд з віссю, віддають кінетичну енергію периферійній частині повітря і при цьому охолоджуються. Інша частина повітря сприймає цю енергію і нагрівається в результаті тертя, на подолання якого затрачається значна частина кінетичної енергії.

Схематично роботу вихрової труби зображено на рис. 1.6.

 

 

Рис. 1.6 Схема вихрової труби

Газ, що надійшов через сопла 3 у трубу 2 переміщується до вентиля 4. Частина периферійного газу виходить з труби з вищою температурою, а інша частина протитоком надходить до центральної частини труби і виходить через діафрагму 1 зі зниженою температурою. Потік з низькою температурою використовується для охолодження, а з високою – для нагрівання.

Термодинамічна досконалість вихрових машин не перевищує декількох відсотків і залежить від використання теплоти потоку повітря, яка виходить з гарячої частини вихрової труби. Якщо ця теплота утилізується, то загальна ефективність збільшується. Вихрові труби прості у виготовленні та експлуатації, компактні та високонадійні. Проте область їх застосування обмежується низькою економічністю термодинамічних процесів.