Физические принципы получения низких температур

Плавление и замерзание

При достижении твердым телом температуры плавления дальнейшего повышения его температуры не происходит, а подводимая теплота тратится на изменение агрегатного состояния – превращение твердого тела в жидкость. Температура плавления (замерзания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды. При атмосферном давлении (760мм.рт.ст.) температура плавления водного льда равна 0⁰С. Количество теплоты, необходимое для превращения 1кг льда в воду (или наоборот) называется скрытой или удельной теплотой плавления (замерзания) r_пл(зам). Для водного льда r_пл(зам) = 330 кДж/кг. Количество теплоты, необходимое для превращения льда массой М в воду (или количество отводимой теплоты для замерзания воды), определяют по формуле

Q_пл(зам) = M·r_пл(зам).

На практике этот способ применяют, осуществляя охлаждение с помощью заготовленного зимой водного льда или с помощью замороженного льда в льдогенераторах с использованием холодильных машин.

С целью достижения более низких температур применяют льдосоляные смеси, для которых температура и скрытая теплота замерзания зависят от вида соли и % содержания ее в смеси. При содержании в льдосоляной смеси 22,4% хлористого натрия температура замерзания такой смеси равна минус 21,2⁰С, а скрытая удельная теплота замерзания составляет r_зам = 236,1 кДж/кг. Применяя в льдосоляной смеси хлористый кальций (29,9%) можно понизить температуру замерзания этой смеси до температуры минус 55⁰С и в этом случае r_зам = 214 кДж/кг.

Сублимация

Это процесс обусловлен переходом вещества из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу, с поглощением теплоты. Для охлаждения и замораживания пищевых продуктов, а также их хранения и транспортировки в замороженном состоянии используют сублимацию сухого льда (твердой двуокиси углерода). При атмосферном давлении сухой лед, поглощая теплоту из окружающей среды, переходит из твердого состояния в газообразное состояние при температуре минус 78,9⁰С. При этом удельная теплота сублимации сухого льда составляет r_суб = 571 кДж/кг.

При этом количество теплоты необходимое для сублимации М кг сухого льда будет

Q_суб) = M·r_суб.

Сублимация замороженной воды при атмосферном давлении происходит и при сушке белья зимой. Процесс сублимации лежит в основе промышленной сушки пищевых продуктов (сублимационная сушка). Для интенсификации сублимационной сушки в аппаратах (сублиматорах) поддерживают давление ниже атмосферного с помощью вакуумных насосов.

Испарение

Под испарением понимается процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости. Его физическая природа объясняется вылетом молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения 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 0⁰С скрытая удельная теплота испарения воды, r_исп = 2501 кДж/кг, а при температуре 100⁰С – r_исп = 2256 кДж/кг.

При этом количество теплоты, необходимой для испарения М кг воды будет:

Q_исп= M·r_исп.

Кипение

Кипение – нагрев за счет поглощения теплоты. Кипение жидкости при низких температурах 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. Тогда количество теплоты Q, подводимое к кипящей жидкости массой М кг составит

Q_кип = M·r,

где r – удельная теплота парообразования, кДж/кг.

Кипение однородного вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления кипения Р₀. С изменением давления кипения изменяется и температура кипения t₀. Зависимость температуры кипения от давления кипения (давление фазового равновесия) изображают кривой, называемой кривой упругости насыщенного пара. Значения удельной теплоты парообразования для некоторых холодильных агентов при t₀ = -15⁰С приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Значения удельной теплоты парообразования для некоторых хладагентов

Из таблицы следует, что у аммиака по сравнению с другими хладагентами наибольшая удельная теплота парообразования, дающая в этом смысле ему преимущество при выборе хладагента для той или иной холодильной машины. Хладагент R13, имея значительно меньшую удельную теплоту парообразования, обеспечивает работу холодильной машины при более высоких давлениях кипения.

Вопросы к разделу1

1). Дать характеристику трех фазовых состояния вещества.

2). В каких фазовых состояниях находится рабочее вещество в пароком прессионных холодильных машинах?

3). Дать характеристику двух принятых уровней холода.

4). Каким образом определяется количество теплоты, необходимое для превращения льда массой М в воду?

5). Каким образом определяется количество отводимой теплоты для замерзания Мкг воды?

6). Дать характеристику процесса сублимации.

7). Каким образом определяется количество теплоты, подводимое к кипящей жидкости массой М?