10) Способы получения искусственного холода : охлаждение путем дросселирования.

Существует несколько способов получения искусственного холода. Самый простой из них – охлаждение при помощи льда или снега, таяние которых сопровождается поглощением довольно большого количества тепла – 80 ккал/кг (335 кgж/кг), при атмосферном давлении лед и снег тают при 0^о С. Практически в помещении, охлаждаемом льдом или снегом, из-за притока тепла извне температуру воздуха удается поддерживать лишь на уровне 5-8^о С.

Более низкие температуры можно получить, применяя для охлаждения смесь льда или снега с различными солями. В этом случае к скрытой теплоте, поглощаемой льдом или снегом, присоединяется скрытая теплота, поглощаемая солью при ее растворении в воде, образовавшейся в смеси; это ведет к понижению температуры смеси.

Дросселирование . Так называют расширение газа жидкости при проходе ими суженного отверстия. В процессе дросселирования наряду с расширением происходит понижение давления рабочего тела, при этом внешней работы оно не совершает. Дросселирование жидкостей сопровождается их частичным парообразованием и понижением температуры. При дросселировании наблюдается большое парообразование жидкости, чем при адиабатном расширении, так как работа сил трения при движении жидкости через узкое сечение превращается в теплоту и передается дросселируемой жидкости. Дросселирование используется для глубокого охлаждения и сжигания газов.

11) Способы получения искусственного холода: охлаждение при расширении газа с отдачей внешней работы.

Если сжатый газ направить в турбину или цилиндр поршневой машины, то в процессе расширения он совершает работу. Машины, предназначенные для расширения газа с отдачей работы с целью его охлаждения называются детандерами. При таком расширении газ сильно охлаждается. Значительно сильней, чем при дросселировании с тем же перепадом давлений.

Например, если сжатый воздух с начальным давлением Р₁=20 МПа и температурой Т₁=300 К расширять до давленияР₂=0,5 МПа, то воздух охлаждается до значений:

1) Т₂=267 К – при дросселировании, т.е. дроссельэффект составляет DТ=Т₁-Т₂=33°;

2) Т₂=100 К – при расширении в детандере, т.е. охлаждение воздуха составляет DТ=200°.

Этот на первый взгляд простой способ охлаждения долго не удавалось реализовать из-за технических трудностей создания низкотемпературного детандера (материалы, смазка и т.п.).

Впервые детандер для получения холода использовал немецкий инженер В. Сименс в 1875 году. В 1902 г. французский химик и изобретатель Ж. Клод усовершенствовал процесс сжижения воздуха, применив детандер для его охлаждения. Турбодетандер был предложен еще в 1898 г., но первый работоспособный турбодетандер (в области криогенных температур) был создан в 1938 г. отечественным академиком П.Л. Капицей.

В настоящее время детандеры с системой рекуперативных теплообменников (ступени Сименса) широко применяются в холодильной и криогенной технике. Более детальные сведения о конструкциях и работе детандеров

12) Цикл паровой холодильной машины с детандером в области влажного пара.

Принципиальная схема и цикл такой холодильной машины приведены на рис. 2.1.

Рабочее вещество в состоянии 1 поступает в компрессор КМ, где изоэнтропно сжимается до давления конденсации р_к(процесс 1-2) и направляется в конденсатор КД. Следует отметить, что точка 2 должна лежать на правой пограничной кривой. После конденсации за счет отвода теплоты в окружающую среду (процесс 2-3), рабочее вещество расширяется в детандере ДТ до давления кипения р₀, совершая при этом работу. Процесс расширения 3-4 также идет изоэнтропно. В состоянии 4 рабочее вещество поступает в испаритель ИС, где кипит (процесс 4-1) при давлении р₀ за счет теплоты, подводимой от источника низкой температуры. Следует особо отметить, что для конкретной холодильной машины давление кипения р₀и давление конденсации р_кзависят только от температуры и теплоты внешних источников и самоустанавливаются в зависимости от их параметров. При этом давление кипения соответствует температуре кипенияT₀, которая определяется по формуле:T₀ =T_от- ∆T_и, гдеT_от- температура охлаждаемого тела; ∆T_и - температурный напор в испарителе. Давление конденсации соответствует температуре конденсацииT_К, которая определяется по формуле:T_К =T_ос+ ∆T_К, гдеT_ос- температура окружающей среды; ∆T_к - температурный напор в конденсаторе.

Пар рабочего вещества, образовавшийся при кипении, постоянно отсасывается компрессором.

Рис. 2.1. Схема и теоретический цикл

одноступенчатой холодильной машины с детандером

При условии постоянства температуры внешних источниковибесконечно малой разности температур в процессе теплообменарабочего вещества с этими источникамиT₀=T_от,T_к=T_оси рабочее вещество будет совершать обратныйцикл Карно, коэффициент обратимости которого равен единице.

Теплота, которая подводится к рабочему веществу в испарителе, называется холодопроизводительностью холодильной машины Q₀, а отнесенная к 1 кг рабочего вещества - удельной массовой холодопроизводительностьюq₀, которая на диаграммеs-Т соответствует площадиm-4-1-nили

q₀ = h₁ – h₄. (2.1)

На диаграмме h-р удельная массовая холодопроизводительность эквивалентна (~) отрезку 1-4.

Удельная работа l_к, затрачиваемая в компрессоре, на диаграммеs-Т эквивалентна площади 1-2-3-0-1, а на диаграммеh-р - отрезку 1-2, т.е.

l_к=h₂ – h₁. (2.2)

Удельная теплота, отводимая от рабочего вещества в конденсаторе, определяется на диаграмме s-Т как площадьm-3-2-n, на диаграммеh-р - отрезком 2-3 или

q = h₂ – h₃. (2.3)

Удельная внешняя работа, совершаемая рабочим веществом при расширении в детандере, - это на диаграмме s-Т площадь 0-3-4, а на диаграммеh-р - отрезок 3-4 или

l_д = h₃ – h₄. (2.4)

Так как в компрессоре работа затрачивается, а в детандере - совершается, то удельная работа, которую необходимо затратить для осуществления цикла 1-2-3-4,

l_ц = l_к – l_д= (h₂ –h₁) – (h₃–h₄). (2.5)

Площадь на диаграмме s-Т, которая эквивалентна работе цикла, определяется из соотношенияl_ц = l_к – l_д~ пл. 1-2-3-0-1 - пл. 0-3-4 = пл. 1-2-3-4.

К такому же выводу можно прийти другим способом:

l_ц=q–q₀= (h₂ –h₃) – (h₁–h₄) = (h₂ –h₁) – (h₃–h₄)

или l_д=q–q₀~ пл.m-3-2-4 - пл.m-4-1-n= пл. 1-2-3-4.

Холодильный коэффициент цикла 1-2-3-4 (Карно)

. (2.6)

Рассмотренный цикл является образцовым, но на практике его осуществить невозможно. Основными причинами являются наличие разности температур между теплообменивающимися средами в теплообменных аппаратах (в данном случае в конденсаторе и испарителе) и недопустимость всасывания в компрессор влажного пара. Кроме того, в реальных циклах парокомпрессионных машин расширение в детандере заменяется дросселированием.