4.3.1 Изменение агрегатного состояния охладителей

Вещества, которые участвуют в процессах создания низкотемпературных условий в непрерывной холодильной цепи доставки скоропортящихся грузов, называют охладителями. Охладители могут находиться в одном из трёх равновесных фазовых состояний: твёрдом, жидком или газообразном. Кроме того, существуют так называемые области насыщения, в которых охладители могут быть одновременно в двух фазовых состояниях. Это – область кипения или влажного пара (равновесие газа и жидкости), область плавления (равновесие твёрдого тела и жидкости), область сублимации (равновесие твёрдого тела и газа). Вся указанная совокупность состояний может быть отображена на p,v-диаграмме согласно рисунку 4.9.

Рисунок 4.9 – р, v–диаграмма агрегатных состояний охладителя (Т–const)

1 – линия плавления; 2 – линия затвердевания; 3 – линия кипения; 4 – линия конденсации; 5 – линия десублимации; 6 – тройная линия; 7 – линия сублимации

Твёрдая фаза охладителя характеризуется малым удельным объёмом. При изобарном подводе тепла (пунктирная линия на рисунке 4.9) охладитель будет нагреваться при незначительном увеличении удельного объёма. На границе 1, называемой линией плавления, твёрдый охладитель начнёт переходить в жидкое состояние. В области плавления температура охладителя не меняется, а сам охладитель находится в состоянии равновесия двух своих фаз: жидкой и твёрдой. На правой границе области (линия 2 на рисунке 4.9) процесс плавления заканчивается. Эту границу называют линией затвердевания, так как при отводе тепла от жидкости на ней начинается процесс образования твёрдой фазы.

Если продолжать нагревание охладителя при постоянном давлении, то жидкость при увеличении температуры будет расширяться и на линии кипения 3 достигнет области, в которой начнётся процесс кипения при постоянной температуре. Здесь охладитель также находится в состоянии равновесия двух фаз: жидкости и пара. На правой границе области парообразования 4 кипение заканчивается, охладитель полностью переходит в газообразное состояние. Эту границу называют линией конденсации, так как при обратном движении из области перегретого пара (снижении температуры) при p = const, на ней начинается образование жидкой фазы (конденсация).

Если к твёрдому охладителю подводить тепло при очень низких давлении и температуре, то он достигнет пограничной кривой 7, называемой линией сублимации, где не плавится, а испаряется. Процесс непосредственного перехода охладителя из твёрдого состояния в газообразное состояние называют сублимацией, а обратный переход – десублимацией.

При повышенных давлениях и температурах переход от жидкого к газообразному состоянию происходит без парообразования, т. е. без границ. Линии кипения и конденсации сходятся в так называемой критической точке. Равновесие между жидкой и газовой фазами возможно только при температурах ниже критической.

Если спроецировать р, v, T-пространство состояний на р, Т-плоскость, показанную на рисунке 4.10, то можно видеть, как твёрдая, жидкая и газообразная фазы охладителя разделяются тремя кривыми – плавления, парообразования и сублимации. Эти кривые являются проекциями областей плавления, кипения и сублимации. В пределах этих областей при постоянстве давления постоянна и температура. Поэтому, например, линии кипения и конденсации проецируются в виде одной кривой. Если изменить давление, изменится и температура фазового перехода охладителя.

Кривые плавления, кипения и сублимации сходятся в одной точке, называемой тройной. Она соответствует единственному состоянию, в котором все три фазы находятся друг с другом в термодинамическом равновесии.

В холодильной технике весьма широко используют фазовые превращения охладителей, так как изменение агрегатного состояния происходит с наибольшим поглощением (выделением) теплоты. Так, при таянии 1 кг водного льда требуется подвести 330 кДж тепловой энергии, в то время как при его нагревании с температуры минус 10 °С до 0 °С затрачивается всего лишь 2,12110 = 21,2 кДж. Столь высокая тепловая ёмкость фазовых переходов позволяет создавать компактные теплообменные устройства холодильного цикла.

Рисунок 4.10 – р, Т-диаграмма агрегатных состояний охладителя (v – const)