ВОПРОС 2. Процессы охлаждения до отрицательных температур.

Для охлаждения и замораживания пищевых продуктов при температурах от +3 до —18 °С используют холодильники и моро­зильники, в которых процесс осуществляется холодильными ма­шинами.

Для получения холода в холодильных машинах применяют об­ратный круговой термодинамический цикл, состоящий из про­цессов сжатия газа, конденсации и испарения.

Согласно второму закону термодинамики охлаждение до тем­ператур ниже температуры окружающей среды, которое связано с переносом теплоты с низшего температурного уровня на высший, возможно только при затрате энергии. Такой перенос теплоты осуществляется по обратному циклу Карно.

Энергетический баланс прямого цикла Карно выражается урав­нением

(7)

согласно которому при переходе теплоты с более высокого темпе­ратурного уровня Т на более низкий Т₀ совершается работа L и на низком температурном уровне сохраняется теплота Q₀.

Рис.1. Обратный цикл Карно

Рассмотрим обратный цикл Карно (рис.1). Газообразное рабочее тело температурой Т₀ адиабатически сжимается с затратой работы, нагреваясь при этом до температуры Т. Этот процесс изображается вертикальной лини­ей 1—2. После сжатия газ изотер­мически конденсируется при тем­пературе Т (линия 2—3), отдавая теплоту Q, а затем образовавшаяся жидкость адиабатически расширя­ется. При расширении жидкость охлаждается до температуры То (линия 3—4), производя при этом полезную работу, после чего испа­ряется при температуре Т₀ (линия 4—1) при пониженном давлении, отнимая теплоту Q₀ от ох­лаждаемого объекта.

Полезная работа газа согласно уравнению (10):

Количества теплоты Q и Q₀ можно выразить через энтропии рабочего тела до и после конденсации s₁ и s₂ согласно рис. 1, т.е.:

(8)

(9)

Холодильный коэффициент

(10)

Показывает, какое количество теплоты Q₀ можно перенести с низшего температурного уровня Т₀ на высший т за счет единицы затраченной работы L. Теплота Q₀ называется холодопроизводительностью холодильной машины.

На рис. 2 приведены диаграммы состояния газа в коор­динатах T—s. Линии жидкости и пара сходятся в точке Т_кр, кото­рая является критической температурой. В области b—Т_КР—а, ле­жащей левее кривой, находится жидкость. Область b— Т_кр—а, ле­жащая под кривой, является областью сосуществования пара и жидкости, а область b— Т_кр—а выше и правее кривой соответствует состоянию газа или перегретого пара.

Одним из основных процессов для охлаждения продуктов до низких температур является дросселирование, которое заключается в снижении давления и температуры газа при прохождении его через суженное отверстие — дроссель. При расширении газов до более низкого давления после дросселя без совершения внешней работы и без теплообмена с внешней средой внутренняя энергия расходуется на преодоление внутреннего трения между молекула­ми, что и приводит к понижению температуры газа.

Снижение температуры газа приблизительно пропорционально перепаду давления до дросселя и после него (рис. 3).

При дросселировании газа энтальпия остается постоянной, по­этому процесс называют охлаждением при изоэнтальпическом расширении газа.

Рис.2. Т-s-диаграмма для воздуха

Различают дифференциальный и интегральный дроссельные эффекты (эффект Джоуля-Томсона)

Интегральный дроссельный эффект соответствует изменению давления газа от р₁ до р₂ и выражается уравнением

Рис.3. Схема дроссельного устройства

(11)

или

Для реальных газов дроссельный эффект может быть положитель­ным—охлаждение газа, отрицательным — нагревание газа и рав­няться нулю. Для идеальных газов дроссельный эффект равен нулю.

Охлаждение при адиабатическом расширении газа происходит с совершением внешней работы.

Температура газа после расширения

Требования, предъявляемые к хладагентам. К хладагентам предъяв­ляют следующие требования: экологические — негорючесть, неток­сичность, озонобезопасность; термодинамические — высокая холодо-производительность, низкая температура кипения при атмосферном давлении, невысокое давление конденсации, высокий коэффициент теплопроводности, низкие плотность и вязкость, взаимозаменяе­мость; эксплуатационные—доступные цены, недефицитность.

В каждом отдельном случае выбирают хладагент с учетом конк­ретных условий работы холодильной машины.

В холодильных машинах используют аммиак, хладагенты R12, R22, R11, озонобезопасные хладагенты.

Цифры в обозначениях хладагентов расшифровываются в зави­симости от химической формулы. Первая цифра (1) указывает на метановый ряд, цифра (2) соответствует числу атомов фтора в со­единении. Этановому ряду соответствует цифра 11.

Дата добавления: 2015-07-07