Главная / Холодильные технологии / Основные процессы получения искусственного холода

Основные процессы получения искусственного холода

Любое нагретое тело естественным путем можно охладить только до температуры среды, в которой находится это тело. Понизить его температуру ниже температуры окружающей среды можно только искусственным путем, используя один из способов охлаждения.

Охлаждение — процесс отвода теплоты от охлаждаемого тела к другому телу (среде), имеющему более низкую температуру. Охлаждаемой средой является воздух холодильной камеры, холодильного шкафа или охлаждаемой витрины, продукты, напитки и пр.

Тело, имеющее более низкую, чем охлаждаемая среда, температуру, называется охлаждающим. Реализация специальных физических процессов позволяет понизить температуру охлаждающего тела, но для этого требуется затрата энергии. Получение низких температур низких температур может быть достигнуто при осуществлении следующих процессов: изменении агрегатного состояния рабоче¬го тела; расширении рабочего тела с совершением внешней полезной работы; дросселировании рабочего тела (эффект Джоуля — Томпсона); реализации вихревого эффекта (эффект Ранка—Хильша); термоэлектрическом охлаждении (эффект Пельтье).

ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ  РАБОЧЕГО ТЕЛА

Все вещества, которые участвуют в реализации процессов получения искусственного холода, получили название рабочих тел. Для получения искусственного холода используют процессы, протекающие с поглощением теплоты. К этим процессам относятся плавление (таяние), сублимация, кипение. Изменение агрегатного состояния рабочего тела протекает при постоянной температурное, что позволяет   контролировать   процесс   охлаждения или   управлять  им.
Другая отличительная особенность изменения агрегатного состояния — низкая температура этих процессов для применяемых в холодильной технике рабочих тел.
Теплота фазового перехода достаточно велика и для охлаждения требуется меньшее количество рабочего тела.
Все это обусловило применение указанных процессов в холодильной технике.
Плавление — переход рабочего тела из твердого агрегатного состояния в жидкое. Достаточно часто этот процесс называют таянием. 
Наиболее доступным и поэтому используемым в холодильной технике рабочим телом в твердом агрегатном состоянии является водный лед. Температура плавления льда — О °С, а теплота плавления одного килограмма льда составляет 335 кДж. Эту величину называют удельной массовой теплотой плавления r= 335 кДж/кг и используют в расчетах.
Более низкую температуру плавления имеет смесь колотого водного льда с солью. При эвтектической концентрации температура плавления будет минимальной. Наибольшее применение в холодильной технике нашли смеси хлористого натрия со льдом (температура плавления до -21,2 °С) и хлористого кальция со льдом (температура плавления до -55 °С). Удельная массовая теплота плавления смеси ниже, чем водного льда.
Кипение — процесс превращения рабочего тела из жидкого агрегатного состояния в парообразное. Например, общеизвестно, что вода закипает при температуре 100Сo. Но это происходит лишь при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). При повышении давления температура кипения возрастет, а при его понижении (например, высоко в горах) вода закипит при температуре гораздо ниже 100Co. В среднем, при изменении давления на 27 мм .рт. ст. температура кипения изменится на 1С0. Существует большое число рабочих тел с температурами кипения ниже температуры окружающей среды. Учитывая, что температура кипения жидкого рабочего тела зависит от давления, можно регулировать эту температуру изменением давления. Этот процесс положен в основу большинства современных холодильных машин. В некоторых случаях для охлаждения используют рабочие тела, имеющие температуру кипения ниже -120°С. Такие рабочие тела получили название криогенных рабочих тел, или криогенных жид¬костей. К ним относятся: жидкий азот (N2, температура кипения -196 oС), жидкий кислород (О2, -183 °С) или жидкий воздух (-192 °С).
 Сублимация — процесс перехода из твердого агрегатного состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. Примером рабочего тела, переходящего из твердого состояния в парообразное при барометрическом давлении, является диоксид углерода СО2. Это рабочее тело называют еще твердой углекислотой или сухим льдом. Переход твердой углекислоты в парообразное состояние осуществляется при температуре -78,9 oС. Удельная массовая теплота сублимации этого вещества r= 575 кДж/кг.
Общим недостатком всех процессов фазового перехода являет¬ся то, что расходуемое рабочее тело нужно периодически попол¬нять, т.е. постоянно иметь запас рабочего тела в твердом или жид¬ком состояниях. Поэтому для искусственного охлаждения интерес представляют такие охлаждающие системы, в которых реализует¬ся непрерывный процесс охлаждения и одно и то же рабочее тело многократно используется в циклическом процессе.

ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ РАСШИРЕНИИ ГАЗООБРАЗНОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА С СОВЕРШЕНИЕМ ПОЛЕЗНОЙ РАБОТЫ

Если давление газообразного рабочего тела резко понизить и отвести работу расширения, то температура газа понизится. Процесс, обратный сжатию газа в компрессоре, осуществляется в специальных машинах, получивших название детандеры. В зависимости от принципа действия детандеры разделяют на поршневые и турбодетандеры. Работа, отводимая на вал детандера, может полезно использоваться.
Наибольший эффект при расширении достигается в полностью изолированных условиях, т.е. без теплообмена с окружающей средой. При этом процесс расширения осуществляется только за счет изменения внутренней энергии рабочего тела и понижение температуры максимальное.
 Недостатком данного способа охлаждения является необходимость предварительного сжатия рабочего тела в компрессорах.