Физические принципы получения низких температур плавления

1. Охлаждение за счет фазовых превращений.

Плавление. При достижении твердым телом температуры плавления дальнейшего повышения его температуры не происходит, а подводимая (или отводимая) теплота тратится на изменение агрегатного состояния - превращение твердого тела в жидкость (при отводе теплоты - из жидкости в твердое тело).

Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды.

При атмосферном давлении (760мм. 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 давления тройной точки воды (610 Па).

Испарение - процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости. Его физическая природа объясняется вылетом молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения, из поверхностного слоя. Жидкость при этом охлаждается. В холодильной технике этот эффект используют в градирнях для охлаждения воды и в.испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации к воздуху.

При атмосферном давлении и температуре 0 ⁰С скрытая теплота испарения воды r = 2509 кДж/кг, при температуре 100 °С r = 2257 кДж/кг.

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.

2. Дросселирование (эффект Джоуля — Томпсона). Еще один из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах, заключающийся в падении давления и снижении температуры хладагента при его протекании через суженное сечение под воздействием разности давлений без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой.

В узком сечении скорость потока возрастает, кинетическая энергия расходуется на внутреннее трение между молекулами. Это приводит к испарению части жидкости и снижению температуры всего потока. Процесс происходит в регулирующем вентиле или другом дроссельном органе (капиллярной трубке) холодильной машины.

3. Расширение с совершением внешней работы. Процесс используют в газовых холодильных машинах.

Если на пути потока, двигающегося под воздействием разности давлений, поставить детандер (расширительную машину, в которой поток вращает колесо или толкает поршень), то энергия потока будет совершать внешнюю полезную работу. При этом после детандера одновременно с понижением давления будет снижаться и температура хладагента.

Наибольшего понижения температуры можно достичь при адиабатическом расширении, которое протекает без теплообмена с окружающей средой при постоянной энтропии. В этом процессе работа расширения совершается только за счет внутренней энергии газа.

4. Вихревой эффект (эффект Ранка — Хильша). Создается с помощью специального устройства - вихревой трубы. Основан на разделении теплого и холодного воздуха в закрученном потоке внутри трубы.

5. Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье). Его используют в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электрического тока.

Дата добавления: 2014-01-04