Физические принципы получения низких температур

1. Охлаждение за счет фазовых превращений.

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=Mr.
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 с использованием природного холода водного льда или с помощью замороженной в льдогенераторах с использованием холодильных машин 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 —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 —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 транспортировки 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 —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.

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=Mr,
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.

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.

2. Дросселирование (эффект Джоуля — Томпсона).

3. Расширение с совершением внешней работы.

4. Вихревой эффект (эффект Ранка — Хильша).

5. Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).

Применение холодильных машин с использованием вторичных и других тепловых энергоресурсов

Вопросы экономии топлива путем использования ВЭР в последние годы превратились в актуальную проблему и являются — общегосударственной задачей. Промышленные потребители используют в настоящее время свыше 60% всего добываемого топлива и около 70% всей вырабатываемой электроэнергии. Коэффициент полезного использования энергии в технологических процессах остается все еще невысоким и составляет лишь 35—40%. Утилизация ВЭР в промышленности за последние годы улучшилась, однако в настоящее время фактическая экономия топлива за счет теплоты ВЭР по отношению к возможной составляет 30—32%, в том числе в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности—40%, в черной металлургии —40%, в химической — 25%.

Одним из эффективных направлений утилизации теплоты ВЭР является производство холода для предприятий, технологические процессы которых требуют его при различных температурах охлаждения. Следует отметить, что большинство предприятий химической, нефтехимической и других отраслей промышленности являются хладоемкими производствами и одновременно характеризуются наличием достаточно большого количества неиспользуемых ВЭР в виде пара, горячей воды, факельных сбросов, горячих газов и т. п. На базе таких источников ВЭР в ряде случаев холод может быть выработан с помощью абсорбционных холодильных машин, серийно выпускаемых в СССР.

Решая вопросы рационального и эффективного использования ВЭР, следует обращать внимание на то, что наряду с получением холода могут быть осуществлены также процессы преобразования теплоты с низкого температурного уровня на более высокий и наоборот, с применением тех же абсорбционных холодильных машин, а также выработки электроэнергии в турбоустановках, работающих на различных хладонах.

Теплоту низкопотенциальных ВЭР можно использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения также с помощью компрессорных тепловых насосов. В переходные и зимний периоды года в качестве низкопотенциальных источников теплоты в компрессорных тепловых насосах могут быть использованы холодная вода из водоемов, артезианская вода, наружный воздух с температурой свыше 0°С, а также горные породы (грунт). В последнее время в нашей стране и за рубежом большое внимание уделяется использованию для целей хладо- и теплоснабжения с помощью холодильных машин возобновляемых источников теплоты — недр Земли (геотермальной энергии) и Солнца.

Абсорбционные холодильные машины

За последние годы интерес к абсорбционным холодильным машинам значительно возрос в связи с настоятельной необходимостью более полного использования теплоты, создания безотходной технологии производства, экономии топливно-энергетических ресурсов. В соответствии с этим увеличился объем исследований в области процессов и схем абсорбционных машин и значительно расширился диапазон применения этих машин в промышленности.

В настоящее время широко известны различные схемы абсорбционных холодильных машин. Применение той или иной схемы зависит от характера внешних источников теплоты и от свойств хладагента и абсорбента. Так, наиболее распространенными являются машины, работающие по циклам с теплообменником и ректификацией пара там, где она требуется. Возможно использование циклов с материальной регенерацией, с эжектором, двухступенчатых циклов, со ступенчатым абсорбером, с обратной подачей раствора через абсорбер и генератор. При наличии переменных температур внешних источников в ряде случаев для получения искусственного холода может применяться абсорбционно-резорбционная схема холодильной машины. Нашли широкое применение также безнасосные абсорбционные холодильные машины периодического и непрерывного действия. Весьма перспективным является использование абсорбционных машин в качестве повышающих термотрансформаторов, работающих по теплонасосной (обращенной) схеме. Как показали теоретические и экспериментальные исследования, выполненные на кафедре холодильных машин ЛТИХПа, водоаммиачная абсорбционная теплонасосная машина с внутренним рекуперативным теплообменом (узлом превышения температур) при использовании для обогревания генератора и испарителя внешнего источника теплоты с температурой 40°С полностью обеспечивает температурный график 95/70°С в отопительных системах с качественным регулированием теплосети. Исследования абсорбционной бромистолитиевои машины, работающей по обращенной схеме, выполненные на той же кафедре, также свидетельствуют об ее эффективности.

Особенности работы эжекторных машин на различных рабочих веществах

Аммиачные эжекторные машины из-за вредных свойств аммиака не получили достаточного развития. Однако в низкотемпературных аммиачных компрессионных холодильных машинах применяют эжекторы для поджатая пара в ступенях низкого давления.

Хладоновые эжекторы по сравнению с пароводяными отличаются меньшими скоростями в проточной части, малыми проходными сечениями, меньшими отношениями давлений рабочего пара pv и испарения р0, меньшими отношениями давлений конденсации рк и испарения р0. В схемах хладоновых эжекторных холодильных машин в отличие от пароводяных отсутствуют воздухоотсасывающие устройства, в остальном они аналогичны.

Ряд недостатков, присущих этим машинам, сдерживает их промышленное внедрение. К таким недостаткам относятся: усложнение конструкции испарителя и генератора из-за необходимости применения теплопередающей поверхности, а следовательно, и возникновение необратимых потерь на тепловое сопротивление этой поверхности, наличие в схеме дорогого и сложного хладонового насоса. Подача в парогенератор жидкого хладона, близкого к состоянию насыщения, приводит к вскипанию хладона на всасывании насоса и к срыву его работы. Для исключения этого приходится применять переохлаждение или подпор на всасывании. Кроме того, по сравнению с водой, хладон дорог и текуч.

Эффективность работы хладоновых эжекторных холодильных машин зависит от режима работы (рр, р0, pI, Tp, Ibc) и от свойств хладона.

Работы в области исследования эжекторных холодильных машин, использующих легкокипящие вещества, направлены на повышение их эффективности путем выбора наиболее подходящих рабочих веществ, исключение потребления электроэнергии, совершенствование схем машин и рабочих циклов, а также на оптимизацию профиля проточной части эжектора.