ГЛАВА 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

1.1. Физические принципы получения низких температур

Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состоит только в скорости движения молекул и атомов. Когда тепло отводится, движение молекул замедляется и тело охлаждается. Если тепло подводится, движение молекул ускоряется и тело нагревается, т.е. причина тепла и холода — движение молекул, из которых состоит любое физическое тело.

Охлаждение — это процесс отвода тепла или отдачи работы, сопровождающийся понижением температуры. Охлаждение осуществляется с участием не менее двух тел: охлаждаемого и охлаждающего. Количество тепла, которое может поглотить охлаждающее тело, определяет его охлаждающий эффект или холодопроизводительность.

Естественное охлаждение осуществляется теплообменом с окружающей средой, искусственное — холодильной машиной.

Колебаниятемпературывприродныхусловияхсоздаютвозможность сохраненияприаккумуляцииестественногохолода. Наиболеераспространенноетело, сохраняющееестественныйхолод, — водныйлед.

В практических условиях для передачи холода применяют специальные устройства. Их работа осуществляется при дополнительной затрате энергии.

Охлаждающий эффект при низких температурах достигается применением следующих физических процессов: фазовых превращений, сопровождающихся поглощением тепла (плавление, парообразование, растворение соли); расширения сжатого газа с отдачей внешней работы; расширения газа путем дросселирования (эффект Джоуля—Томсона); вихревого эффекта охлаждения; пропускания электрического тока через спай двух металлов или полупроводников (эффект Пельтье); размагничивания твердого тела (маг- нитно-калорический эффект); десорбции газов.

Фазовые превращения (плавление, кипение, сублимация) — это процессы, поглощающие относительно большое количество тепла, и поэтому применяются для получения охлаждающего эффекта.

8

Рис. 1.1. Диаграмматемператур начала кристаллизации чистых компонентов в зависимости от состава раствора

Плавление и охлаждение смеси.

Плавление водного льда широко используется для охлаждения выше 0°. Смешение раздробленного льда или снега с солью понижает температуру таяниясмеси. Охлаждающиесмесиобразуются из веществ, которые в процессе растворения поглощают тепло.

Кривые (рис. 1.1) температур начала кристаллизации: компонента А из жидкого раствора при увеличении количества компонента В; компонента В при добавлении А пересекаются в точкеЕ. Жидкостьсоставахепритемпера-

туре ТЕ насыщена одновременно обоими компонентами и находится вравновесиискристаллами АиВ. Нижетемпературыточки ЕрасположеныдветвердыефазыкристалловчистыхкомпонентовАиВ.Среди всех сочетаний этих компонентов раствор состава точки Еимеет наиболее низкую температуру плавления (кристаллизации). Точка Е называется эвтектической, или криогидратной, а соответствующий ей раствор — эвтектикой («легко плавящийся»).

Дляохлажденияприменяютсмесисолейсводойисолейиликислот с измельченным льдом или снегом. Для охлаждения до температуры –21,2 °C используется хлористый натрий со льдом, выше – 55 °C — хлористый кальций со льдом.

Спонижениемтемпературыплавлениякомпонентавраствореуменьшаетсяхолодопроизводительность1 кгохлаждающейсмеси(табл. 1.1).

Таблица 1.1

Зависимость холодопроизводительности смеси водный лед — NaCl от содержания соли

Показатели			Отношение весов соли и льда, %
	0	5		10	15	20	25	30
Температура	0	-3, 5		-6, 2	-9, 9	-13, 7	-17, 8	-21, 2
плавления, °С
Теплота	80	75		68	62	57	51	46
плавления, ккал/кг

9

Рис. 1.2. Диаграмма равновесия фаз углекислоты;кривые:I—кипения,II— плавлениz, III — сублимации; 1 — жидкая фаза; 2 — газообразная; 3 — твердая; 4 — кипение; 5 — плавление;

6 — сублимация

Кипениеисублимация. Процесспарообразованиячистыхвеществ протекает при постоянных температуре и давлении. Полная теплота парообразования

r = U″ – U′ + А Р (n″ – n′) = Р + j = i″– i′,

(1.1)

где U″ и U′, i″ и i′, ν″ и ν′ — соответственно внутренняя энергия, энтальпия, удельные объемы насыщенного пара и жидкости;

P = U″ – U′ — внутренняя теплота парообразования, затрачиваемая на придание необходимой энергии молекулам при переходе из жидкости в пар;

ϕ = А P (ν″ – ν′) — внешняя теплота парообразования, расходуемая на преодоление внешнего давления.

Температура кипения и теплота парообразования каждого вещества зависят от давления.

При увеличении давления температура кипения повышается, а теплотапарообразованияуменьшается. Состояниевещества, вкотором обе предельные точки переходной области из жидкости в пар совмещаются воднустеплотой парообразования, равной0, называется критическим. При температурах выше критических ни при каких условиях невозможен переход газов в жидкость. Приоритет в установлении критического состояния принадлежит Д. И. Менделе-

еву (1861 г.). Соотношение между температурой и давлением в процессе парообразования определяется кривой I (рис. 1.2). Точки на этой кривой характеризуют состояния, при которых жидкая и газообразнаяфазывеществасосуществуют, находясьвустойчивом равновесии. Кривая сверху ограничивается критической точкой. С повышением давления и перемещением по кривой равновесия жидкость — пар разница в свойствах соответствующих фаз уменьшается и совсем исчезает в критической точке. Термодина-

10

мическиесвойстважидкостиипаравэтойточкетождественны. Теплота парообразования используется для искусственного охлаждения в паровых холодильных машинах: компрессионных, пароэжекторных и абсорбционных.

Интенсивное испарение воды для получения охлаждающего эффекта наблюдается при низкой относительной влажности воздуха. Испарительное охлаждение водой применяется при относительно высоких температурах. Для испарительного охлаждения при более низких температурах используют вещества с низкой температурой кипения при атмосферном (нормальном) давлении. Фреон R11, хладон R12, аммиак, фреон R22 имеют соответственно следующие нор-

мальныетемпературыкипения: –23,7 °C; –29,8 °C; –33,4 °C; – 40,8 °C.

Температура плавления (затвердевания) зависит от давления и занекоторымисключениемизменяетсяводномнаправлениисним, подобнотемпературекипения. КривыеплавленияII икипенияI пересекаются в точке, называемой тройной. Тройная точка характеризует состояние, в котором при определенном давлении и температуре сосуществуют три фазы (твердая, жидкая и газообразная) в любых количественных соотношениях. Ниже тройной точки вещество находится либо в твердом, либо в газообразном состоянии. Точки кривой III определяются значениями давлений и температур, при которых твердая и газообразная фазы находятся в равновесии. Процесс перехода из твердого состояния непосредственно в парообразное называется сублимацией, или возгонкой.

ВтройнойточкедляСО2 температура– 56,6 °C идавление0,528 МПа. Жидкаяуглекислотаможетиметьтемпературувыше– 56,6 °C. Температура сублимации твердой углекислоты при атмосферном давлении – 78 °C. Сублимирующая твердая углекислота называется «сухим льдом».

Сухой лед широко применяют для охлаждения вследствие низкой температуры сублимации и высокой весовой холодопроизводительности. В вакууме температура сублимации сухого льда может быть понижена до –100 °C; при смешении его с серной кислотой температура эвтектической точки достигает –82 °С.

Температура и давление тройной точки воды 0,00098 °С и 0,000623 Мпа соответственно; водный лёд сублимирует при температурахниженуля. Сублимациюводногольдаиспользуютприсушке различных препаратов под вакуумом.

11

Рис. 1.3 Процессы расширения газа в энтропийной диаграмме

Работа расширения га-

зов. Расширение сжатого идеального газа с отдачей внешнейработысопровождается понижением температуры. Отношение температур в политропическом процессе 1—2n с показателем политропы n (рис. 1.3)

				Р2		n −1
						n		(1.2)
T2
			=		.
	T			Р
	1			1

В адиабатическом (изоэнтропическом) процессерасширения1–2а отсутствуеттеплообменс внешней средой, показатель п равен показателю адиабаты k, энтропияостаетсяпостоянной. Впроцессе1—2′n сподводомтеплапоказатель политропы n < k, a 1—2n с отводом тепла — n > k. Процесс расширениягазаврасширительноймашине(детандере) протекаетсподводом тепла. Полное преобразование внутренней энергии в механическую работу осуществляется в адиабатическом процессе.

Расширениегазовпутемдросселирования(эффектДжоуля—Томсо-

на). Резкое снижение давления жидкости или газа при прохождении их через суженное отверстие (вентиль, кран) называется дросселированием. Вэтомпроцессенепроизводитсявнешнейработыидавление снижается очень быстро, вследствие этого теплообмен с внешней средой не происходит. Энтальпия остается постоянной i1 = i2, поэтому такойадиабатическийпроцесснеявляетсяизоэнтропическим. Энтропия возрастает, и процесс необратим (1—2U, l—2i, 1—2′i, рис. 1.3). Линиипостоянных температуриэнтальпий(изотермаиизоэнтальпа) идеального газа совпадают, поэтому при дросселировании температура не изменяется. При дросселировании реального газа в результате изменения внутренней энергии совершается работа для преодоления внутренних сил взаимодействия молекул au = 0, и поэтому изменяется температура. При дросселировании идеального газа объемная энергия не изменяется:

12

∆ (Pν) = P2ν2 – P1ν1 = 0,

(1.3)

в процессах реального газа она может возрастать и уменьшаться

∆ (Pν) = P2ν2 – P1ν1 < > 0.

(1.4)

Взаимодействие между молекулами реального газа и изменение его объемной энергии в процессе расширения обусловливают при дросселированиидватемпературныхэффекта, которыемогутскладываться или взаимно компенсироваться.

Точка, соответствующая состоянию реального газа, в котором эффект Джоуля—Томсона равен нулю, называется точкой инверсии, а геометрическое место таких точек — кривой инверсии. В интервалахтемпературинверсиидросселированиедаетохлаждающий эффект, а выше и ниже происходит нагревание газа.

Эффект Джоуля—Томсона применяется при получении особо низких температур.

Вихревой эффект охлаждения. Французский инженер Ранк предложил использовать для охлаждения вихревой эффект с помощью специальнойтрубы. Тангенциальнопоотношениюквнутреннейповерхноститрубыустановленосопло(рис. 1.4). Околосопларасположенадиафрагмасконцентрическим отверстием. Пооднусторонуот диафрагмынаходитсясвободныйвыход(холодныйконец), аподругую — дроссельный вентиль(горячийконец). Поток сжатого воздуха, предварительно охлажденноговодой, поступает в сопло, завихряется и приобретает кинетическую энергию. Через центральное отверстие диафрагмывоздухвыходитохлажденный, а через свободный выход — нагре-

тый. В трубе воздух раз- Рис. 1.4. Вихревая труба: a — конструкции; б — деляется на два потока — схемапротеканиявоздуха; 1 — сопло; 2 — диаф-

холодный и горячий. Ко-	рагма; 3 — дроссельный вентиль; 4 — горячий
личествовоздухаи, следо-	конец трубы; 5 — холодный

13

вательно, температуру потоков можно регулировать бîльшим или меньшим открыванием дроссельного вентиля.

Воздушный поток, вышедший из сопла, образует вихрь, угловая скорость W вращениякотороговеликаоколоосииуменьшаетсяпо мере удаления от нее. При движении к дроссельному вентилю поток, вследствие наличия сил трения между слоями газа, приобретает почти одинаковую угловую скорость, так как внутренние слои теряют скорость, а внешние набирают ее.

Вначальныймоментпроцесса разделения газаугловаяскорость элементарной массы его на некотором расстоянии от оси трубы больше, чем впоследующий момент. Приэтомполучается избыток кинетической энергии, который передается внешним слоям, повышая их температуру. Внутренние слои газа, охладившиеся при истечении, отдавая свою кинетическую энергию внешним слоям посредством трения, не получают в поле вихревого разделения газа эквивалентного возврата тепла от них. Температурное расслоение газа в вихревой камере происходит значительно быстрее наступления термического равновесия. Вследствие этого внешние слои выходят через дроссельный вентиль нагретыми, а внутренние — через отверстие в диафрагме — холодными. Термодинамически процессы вихревой трубы мало эффективны. Получение охлаждающего эффекта таким путем связано с перерасходом энергии в 8—10 раз по сравнению с воздушной холодильной машиной.

Можно получить низкие температуры и термоэлектрическим способом(эффектПельтье). Термоэлектрическиеявленияобусловлены наличием связи между тепловыми и электрическими процессами. Если к термопаре подвести постоянный ток, один из спаев будетнагреваться, другойохлаждаться. Приперемененаправления тока изменится и нагрев спаев — нагретый будет охлаждаться, а холодный нагреваться. Эффект Пельтье обусловлен особенностями прохождения потока электронов через поверхность спая разнородныхметаллов. Описанноеявлениеоткрытоещев1834 г., нопрактического значения долгое время не имело.

Впоследние годы эффект Пельтье применен в домашних электрохолодильниках и комнатных кондиционерах с термопарами из различных полупроводников.

14