Способы получения холода

Способы получения холода

Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состоит только в скорости движения молекул и атоме. В более нагретом теле скорость движения больше, чем менее нагретом. При подводе к телу тепла движение возрастает, при отнятии тепла уменьшается.      

Тепловая энергия есть внутренняя энергия движения молекул и атомов.

Охлаждение тела — это отвод от него тепла, сопровождаемый понижением температуры. Самый простой способ охлаждения — теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой — наружным воздухом, речной морской водой, почвой.

Но этим способом температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Такое охлаждение называется естественным. Охлаждение тела ниже температуры окружающей среды называется искусственным. Для него используют главным образом скрытую теплоту, поглощаемую телами при изменении их агрегатного состояния.

Количество тепла или холода измеряется калориями или килограмм-калориями (килокалория). Калория — это количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 при нормальном атмосферном давлении, килокалория — для нагрева 1 кг воды на 1С при тех же условиях.

Существуют несколько способов получения искусственного холода.

1.Охлаждение при помощи льда или снега,   таяние которых сопровождается поглощением довольно большого количества тепла. Простое, дешевое. Недостаток - нельзя получить температуру ниже +3 °С. Практически в помещении, охлаждаемом льдом или снегом, температуру воздуха удается поддерживать лишь на уровне 5—8°С. При ледяном охлаждении используют водный лед или твердую углекислоту (сухой лед).

При охлаждении водным льдом происходит изменение его агрегатного состояния — плавление (таяние). Холодопроизводительность, или охлаждающая способность чистого водного льда, называется удельной теплотой плавления. Она равна 335 кДж/кг. Теплоемкость льда равна 2,1 кДж/кг • градус.

Водный лед в качестве охлаждающего средства применяется в специальных ледниках и на ледяных складах. Ледники бывают с нижней загрузкой льда (ледник-погреб) и с боковой — карманного типа.

2.Лъдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Благодаря добавлению соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается ниже. Это объясняется тем, что добавление соли вызывает ослабление молекулярного сцепления и разрушение кристаллических решеток льда. Таяние льдосоляной смеси протекает с отбором теплоты от окружающей среды, в результате чего окружающий воздух охлаждается и температура его понижается. С повышением содержания соли в льдосоляной смеси температура плавления ее понижается. Раствор соли с самой низкой температурой таяния называется эвтектическим, а температура его таяния — криогидратной точкой. Криогидратная точка для льдосоляной смеси с поваренной солью -21,2°С, при концентрации соли в растворе 23,1% по отношению к общей массе смеси, что примерно равно 30 кг соли па 100 кг льда. При дальнейшей концентрации соли происходит не понижение температуры таяния льдосоляной смеси, а повышение температуры таяния (при 25%-ной концентрации соли в растворе к общей массе температура таяния повышается до -8°С).

При замораживании водного раствора поваренной соли в концентрации, соответствующей криогидратной точке, получается однородная смесь кристаллов льда и соли, которая называется эвтектическим твердым раствором.

Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли —21,2°С, а теплота плавления - 236 кДж/кг. Эвтектический раствор применяют для зероторного охлаждения. Для этого в зероты — наглухо запаяннные формы — заливают эвтектический раствор поваренной соли и замораживают их. Замороженные зероты используют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждаемых переносных сумок-холодильников и т. д.

3.Охлаждение сухим льдом   основано на свойстве твердой углекислоты сублимировать, т. е. при поглощении тепла переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Физические свойства сухого льда: температура сублимации при атмосферном давлении — 78,9°С, теплота сублимации 574,6 кДж/кг. . Высокая стоимость сухого льда ограничивает его широкое применение.

Сухой лед обладает преимуществами по сравнению с водным:

1.можно получать более низкую температуру;

2.охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда:

3.при охлаждении не возникает сырости, кроме того, при сублимации сухого льда образуется газообразная углекислота, которая является консервирующим средством, способствующим лучшему сохранению продуктов.

Сухой лед применяется для перевозки замороженных продуктов, охлаждения фасованного мороженого, замороженных фруктов и овощей.

Искусственного охлаждения можно достигнуть также, если смешать лед или снег с разведенными кислотами. Например, смесь из 7 частей снега или льда и 4 частей разведенной азотной кислоты имеет температуру -35°С. Низкую температуру можно получить и растворением солей в разведенных кислотах. Так, если 5 частей азотнокислого аммония и 6 частей сернокислого натрия растворить в 4 частях разведенной азотной кислоты, то смесь будет иметь температуру —40°С.

Получение искусственного холода с помощью снега или льда, а также с помощью охлаждающих смесей имеет существенные недостатки: трудоемкость процессов заготовки льда или снега, их доставки, трудность автоматического регулирования, ограниченные температурные возможности.

4. Охлаждение жидкими газами (азотом, воздухом и др.) основано на их кипении при низкой температуре. При нормальном давлении температура кипения азота равна –195,8 °С, воздуха – от –190 до –195 °С, кислорода –182,8 °С.

В связи с энергетическим кризисом, загрязнением окружающей среды все более актуальной становится проблема использования для холодильной обработки пищевых продуктов нетрадиционных экологически безопасных методов получения холода. Наиболее перспективным из них является криогенный метод на базе жидкого и газообразного азота с применением безмашинной проточной системы хладоснабжения, предусматривающей одноразовое использование криоагента.

Перспективность данного метода хладоснабжения возрастает в связи с открытием в России больших запасов (340 млрд. м3) подземных высокоазотных газов. Себестоимость очищенного азота на порядок ниже, чем азота, полученного с помощью метода разделения воздуха.

Безмашинные проточные системы азотного охлаждения имеют значительные преимущества: очень надежны в эксплуатации и имеют высокую скорость замораживания, обеспечивающую практически полное сохранение качества и внешнего вида продукта, а также минимальные потери его массы за счет усушки.

Особо следует отметить экологическую чистоту таких систем (в атмосфере Земли содержится до 78% газообразного азота). 

Наиболее просты по устройству и доступны установки, работающие на готовых хладоносителях: водном или сухом льду, льдосоляных смесях, жидких газах и др. Основной недостаток  – полная зависимость от возможностей и условий получения хладоносителей,  большой объем работ, связанных с зарядкой охлаждающей системы. Этого недостатка не имеет машинное охлаждение, потребляющее извне только энергию или воздух.

Наиболее распространенным и удобным в эксплуатационном отношении способом охлаждения является машинное охлаждение.

5.Машинное охлаждение — способ получения холода за счет изменения агрегатного состояния хладагента, кипения его при низких температурах с отводом от охлаждаемого тела или среды необходимой для этого теплоты парообразования

Охлаждение, как и нагрев, основано на теплообмене — это самопроизвольный переход тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для охлаждения используются процессы, протекающие с поглощением тепла из окружающей среды: таяние или растворение; кипение или испарение; сублимация и др.

Под низкими температурами понимают температуры ниже окружающей среды. В холодильном оборудовании предприятий торговли и общественного питания этот диапазон составляет от 0 до - 40°С.

Низкие температуры получают в результате физических процессов, которые сопровождаются поглощением тепла. К числу основных таких процессов относится:

1.Фазовый переход вещества — плавление, кипение (испарение), сублимация

Фазовый переход некоторых веществ при плавлении, кипении (испарении), сублимации происходит при низких температурах и с поглощением значительного количества тепла.

Рис.1 Схема фазовых переходов вещества

 Плавление -  переход твердого тела в жидкое состояние при определенной температуре. Теплота плавления —  количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при постоянной температуре в жидкое состояние.

Сублимация-  переход тел из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. Теплотой сублимации -  количество тепла, необходимое для перехода 1 кг твердого вещества в пар при постоянных давлении и температуре. Твердая углекислота при атмосферном давлении переходит в газообразное состояние при -78°С.

 Кипение -  процесс превращения жидкости в пар. Образование пара происходит по всему объему жидкости. Температура жидкости, нагретой до точки кипения, остается постоянной при неизменном давлении пока вся не выкипит.

Испарение-  процесс превращения жидкости, не достигшей точки кипения, в пар. Испарение происходит только с поверхности жидкости.

 В холодильной технике под испарением подразумевают также и кипение.

 Процесс, обратный кипению, - конденсация. Конденсация протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением теплоты. Температура конденсации зависит от давления. Давление и температура всегда изменяются в одном направлении. Растет температура — увеличивается давление, и наоборот.

2.Адиабатическое расширение газа

Процесс, происходящий без подвода и отвода тепла, называется адиабатическим . Адиабатное расширение – процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через специальное расширительное устройство. В холодильной технике в качестве расширительного устройства используется детандер.

3. Дросселирование  газа и жидкостей

Процесс резкого падения давления (температуры)  при прохождении рабочего вещества через местное сужение в канале.

              сужение в канале

Рис. 2 Схема холодильной машины

4. Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье)

Единичный элемент термоэлектрического модуля (ТЭМ)   - термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов  используются полупроводники на основе висмута, теллура, с  примесями из сурьмы и селена. 

ТЭМ  -  совокупность термопар, электрически соединенных последовательно.  Термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до тысяч пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через ТЭМ постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить отвод тепла, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны элемента Пельтье меняются местами.

Наибольшей термоэектрической эффективностью для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута, в который добавляют специальные примеси,  селен и сурьму.

Термоэлектрический холодильник  бесшумен, но дорог: сумки-холодильники, небольшие автомобильные холодильники и кулеры питьевой воды.

Способы  получения искусственного холода разнообразны.