4.7. Штучне охолодження

Для одержання низьких температур, які неможливі при охо­лодженні водою та повітрям, використовують штучне охолод­ження, яке необхідне для скраплення пари та газів, при заморо­жуванні грунтів, будівництві підземних споруд, кондиціонуванні повітря, зберіганні продуктів харчування, тощо.

Найбільш відомий спосіб штучного охолодження — це вико­ристання холодильних сумішей (суміш солі та інших речовин з льодом). Суміш кухонної солі з льодом (22% NaCl) може дати

температуру -21C° суміш хлористого кальцію з льодом (30%

дає температуру -55 C° Зарараз використовують такі способи одержання холоду: Випаровування низькокиплячих рідин. Так, при випарову­ванні рідкого скрапленого аміаку при абсолютному тиску 0,04 Мпа досягають температури (біля -50 C°)

При зниженні тиску винаровування досягають більш низьких температур.

Розширення зтиснутих газів в розширювальній машині (де­тандері). Газ при розширенні здійснює зовнішню роботу за раху­нок своєї внутрішньої енергії і завдяки цьому його температура знижується.

Дроселювання стиснених газів і пари через звуження трубо­проводу або іншу перепону. Цей процес приводить до зниження температури тіла без здійснення зовнішньої роботи.

Умовно поділяють помірне (до -100 C°)

та глибоке (нижче 100 C°) охолодження. Помірне охолодження здійснюють абсорційними, компресійними і пароежекторними холодильними ма­шинами, а глибоке — дроселюванням і розширеням газів.

Найпростішою холодильною машиною є повітряна, в якій хо­лод отримують розширенням стиснутого повітря в детандері, але її холодильний коефіцієнт дуже низький. Тому зараз використо­вують парові компресійні холодильні машини, що з'явилися у

205

1834 році, в яких холод отримують випаровуванням низькокип-лячих рідких холодоагентів.

Найменші витрати енергії, тобто найбільший холодильний коефіцієнт досягається, якщо круговий процес здійснюється за зворотнім циклом Карно (цикл ідеальної компресійної машини), наведеному на діаграмі T-S (рис. 4.38).

Рис. 4.38. Цикл ідеальної компресійної машини:

І — компресор; II — конденсатор; III— детандер (розширювач); IV— випарник

Точка 1 відтворює стан пари холодоагента перед компресо­ром. В компресорі І пара адіабатично стискується (при S - const) — лінія 1-2. В конденсаторі II відбувається конденсація пари при сталій температурі Тк (лінія 2-3). З конденсатора холодоагент над­ходить до детендера III, в якому відбувається адіабатне розширен­ня (лінія 3-4) з частковим випаровуванням рідини. Потім холодоа­гент випаровується у випарнику IV при сталій температурі То (лінія 4-1), повертаючись до первісного свого стану (точка 1).

Теплота, яка витрачається на випаровування холодоагента, дорівнює холодопродуктивності 1кг холодоагента і зображується площею а-4-1-б-а, тобто а теплота, що виводиться в конденсаторі зображується площею б-2-З-а-в і дорівнює

Затрачена робота у відповідності з енергетичним балансом (робота компресора мінус робота в детандері) складає

206

і зображується різницею площ б-2-З-а-б та а-4-1-б-а і співпадає з рівнянням для визначення мінімальної роботи на одержання штучного холоду

Холодильний коефіцієнт цикла дорівнює

Оскільки на діаграмі T-S холодопродуктивність не зовсім зручно визначити, то при розрахунках використовують "тиск — ентальпія" (діаграми Р-І) на якій основні лінії діаграми для холо­допродуктивності і роботи зображені як прямі.

207

На рис. 4.39 показано основні лінії діаграми Р-І, а також ізо­терми (t = const) та адіабати (S = const). Лінія ABC є граничною кривою, а точка В відповідає критичній точці. Область нижча граничної кривої відповідає вологій парі, а вище і вліво від точ­ки В — рідині. Вище кривої ABC і вправо від точки В — пе­регрітій парі. В області вологої пари лінії t = const співпадають з горизонтальними (Р = const), а в області рідини йдуть близько до вертикалі. На цій же діаграмі показано цикл ідеальної компресій­ної машини. Лінії стиснення (1-2), розширення (3-4) співпадають з лініями S = const, а випаровування (4-1) і конденсації (2-3) зображені відповідними і випаровування

Критичні точки різні для різних речовин. Для води критична точка В відповідає тиску = 22,12 МПа, = 374,15 °C, а для аміаку = 11,65 МПа і = 132,4°C.

Для найбільш розповсюдженого холодильного агенту фреону-12 (діфтордіхлоретан ця точка відповідає = 4,11 МПа і

= 112,04°C.

В критичних точках різниця властивостей рідини та пари відсутня. При звичайному циклі Карно теплота перетворюється в ро­боту і процес іде в зворотному напрямку, тобто 1-4-3-2-1, що ха­рактерно для компресорів, двигунів внутрішнього згорання, то­що. Термічний ККД цикла Карно залежить від верхнього зни-

ження температури. Так для 100 °C = 76,9, для 2000°C = 87,1.