Лекція 22.

Штучне  охолодження. Його призначення  і термодинамічні основи.

  Холодильні процеси

 

     Ряд процесів хімічної технології проводять  при температурах, значно нижчих, чим  ті, котрі можна одержати, використовуючи як охолоджуючі агенти повітря, воду і лід.

     Штучне  охолодження завжди зв'язане з  переносом тепла від тіла з  більш низькою температурою до тіла з більш високою температурою. Такий перенос, відповідно до другого  закону термодинаміки, вимагає витрати  енергії. Тому введення енергії в  систему є необхідною умовою одержання холоду.

     Способи виробництва штучного холоду в значній  мірі визначаються необхідною температурою охолодження і масштабом установки.

     Умовно  розрізняють:

     1) помірне  охолодження (від кімнатної температури  до -100°C);

     2) глибоке  охолодження (нижче -100°C).

     у свою чергу одержання температури < -100°C умовно класифікується:

     а) техніка  глибокого охолодження (-100°C ¸-218°C);

     б) криогенна  техніка (від 40 до 0,3°К);

     в) техніка  ультранизьких температур (до 0,00002(К).

     Способи одержання температур вище 2(K знайшли технічні застосування. Одержання більш низьких температур відноситься до сфери лабораторної техніки.

     Використання t, що відповідають глибокому охолодженню, дозволяє розділяти газові суміші шляхом їхнього часткового чи повного скраплення й одержувати багато хто технічно важливі гази (азот, кисень і т.д.).

Термодинамічні  основи одержання  холоду

 

     Перенос тепла з нижчого температурного рівня на вищий супроводжується  зменшенням ентропії s і тому не може відбуватися мимовільно. Для того щоб здійснити такий процес, його необхідно сполучити з іншими процесом, що йде зі зростанням ентропії (тобто з витратою енергії) і збиток що компенсує її у процесі відібрання тепла від середовища з більш низькою температурою.

     У холодильних  установках перенос тепла від середовища з більш низькою температурою до середовища з більш високою температурою здійснюється за допомогою робочого тіла, названого холодильним агентом.

     При отриманні штучного холоду використовують холодильні агенти. До них висовують  такі вимоги:

1. температура конденсації холодильного агенту при атмосферному тиску або при тиску, що близький до атмосферного повинна бути вища за температуру навколишнього середовища;
2. температура кипіння (-50-60°) повинно досягатись при тиску не більше 1МПа (10 атм);
3. холодоагент повинен мати високу холодопродуктивність;
4. питомий об’єм пари холодоагенту повинен бути низьким, якщо використовують компресор і великим, якщо використовують турбокомпресор;
5. холодильний агент повинен мати малу в’язкість, високу теплоємність, високий коефіцієнт теплопровідності, щоб забезпечити високі коефіцієнти тепловіддачі;
6. повинен бути не токсичним, не агресивним, вибухобезпечним.

     Таким вимогам відповідають холодоагенти, які називають фреонами.

     Крім  того аміак використовують як холодоагент ( він токсичний і агресивний ) і СО₂.

     Найбільш  популярні:

      фреон-12 і фреон-22, температура кипіння  -29,8°C;  -40,8°C.

       

Рис. 1. Зворотний цикл Карно

     Одержання холоду відбувається по круговому процесі, у якому процес відібрання тепла від охолоджуваного середовища супроводжується процесом, що компенсує – підведенням енергії.

     Відповідно  до законів термодинаміки, при переносі тепла від середовища з більш  високою температурою Т до  середовища з більш низькою температурою Т₀ найбільший ступінь перетворення тепла в роботу відповідає коефіцієнту корисної дії зворотного циклу Карно.

     Який  складається з наступних процесів:

     1-2 - адіабатичний  стиск пароподібного холодоагенту (кінцева температура стиску Т).

     2-3 - ізотермічна  конденсація пар холодильного агента при температурі Т с віддачею  навколишньому середовищу теплоти конденсації Q.

     3-4 - адіабатичне  розширення рідкого холодоагенту (кінцева температура розширення  Т₀).

     4-1 - ізотермічний  випар рідкого холодоагенту при  температурі Т₀ з відібранням від охолоджуваного середовища теплоти випару Q₀ .

     Такий цикл здійснюється лише за умови сталості ентропії системи. Тому якщо при випарі холодоагенту ентропія охолоджуваного середовища зменшиться на величину Q₀ /Т₀, то на таку ж величину зросте ентропія більш нагрітого середовища (води), якій передається тепло Q₀, відняте від охолоджуваного середовища, і тепло L_к, еквівалентне роботі L_к, витраченій на стиск холодоагенту. У результаті зростання ентропії більш нагрітого середовища складає

           (1)

     Відповідно  до енергетичного балансу

 (2)

     Робота, яку необхідно затратити в  холодильній установці

 (3)

     Тепло Q₀ , що віднімається холодоагентом від охолоджуваного середовища при температурі Т₀<T, визначає холодопродуктивність циклу, чи холод установки. На діаграмі Т-s  холодопродуктивність зображується площею 1-4-5-6. Площа 2-3-5-6 еквівалентна кількості тепла, що віддається холодоагентом більш нагрітому середовищу при температурі Т, а різниця площ (2-3-5-6) - (1-4-5-6) відповідає величині витраченої роботи L_к (2-3-4-1)

     Термодинамічна  ефективність холодильних циклів виражається  відношенням холодопродуктивності Q₀ до затрачуваної роботи L, причому це відношення називається холодильним коефіцієнтом e

 (4)

     Холодильний коефіцієнт показує, яка кількість  тепла сприймається холодоагентом  від охолоджуваного середовища на одну одиницю затрачуваної роботи

 (5)

     Холодильний коефіцієнт, що характеризує ступінь використання механічної роботи на одержання штучного холоду не залежить від властивостей холодоагенту чи схеми дії холодильної установки, а є тільки функцією температур Т₀ і T.

     При цьому ступінь використання механічної роботи буде тим вище, чим менше різниця між температурами холодоагенту при сприйнятті Т й віддачі Т₀ тепла.

     Холодильний коефіцієнт не можна розглядати як ККД холодильної машини. ККД характеризує частку тепла, що може бути перетворена  в роботу, і тому є величиною, свідомо меншої одиниці.

     Тут затрачувана робота не перетворюється в тепло, а служить лиш засобом, що забезпечує перенос ("підйом") даної кількості тепла з нижчого  температурного рівня на вищий. Тому Q₀ звичайно більше L, а e більше одиниці.

     Виходячи  з останнього рівняння видно, що зі зниженням температури охолодження Т₀ затрачувана робота різко зростає і відповідно значно збільшується вартість одержання холоду.

     Крім  того, зі зниженням температури охолодження  буде зменшуватися термодинамічний  ККД h будь-якого реального циклу, який дорівнює відношенню холодильного коефіцієнта e реального циклу до холодильного коефіцієнта циклу Карно                                                           (6)

  Методи штучного  охолодження

 

     У процесах штучного охолодження зниження температури холодоагенту виробляється за допомогою:

     1) випару  низькокиплячих рідин;

     2) розширення  різних попередньо зріджених  газів.

     Розширення  газів можна здійснити:

     А) при  пропущенні газу через дросилюючий  пристрій - шайбу з отвором, що викликає звуженні потоку, вентиль і т.п.; унаслідок дроселювання розширення протікає адіабатично і без здійснення зовнішньої роботи;

     Б) при  розширенні газу в детандері - машині, улаштованої подібно поршневому компресору чи турбокомпресору; процес охолодження при розширенні газу в детандері відбувається також адіабатично, але зі здійсненням зовнішньої роботи.