SECȚIUNEA 1 PROCESE TEORETICE PENTRU PRODUCEREA RECE
1.1 Metode de obținere a temperaturilor scăzute
îndepărtarea Căldura de refrigerare din obiectul răcit trebuie efectuată la temperaturi sub temperatura mediului ambiant. În general, transferul de căldură către substanța de lucru (agent frigorific), a cărui temperatură este coborâtă în prealabil la nivelul dorit sau în alt mod.
În practică pentru obținerea de refrigerare la temperaturi scăzute, iar următoarele metode sunt folosite de lucru mediu: o fază de tranziție, expansiunea gazelor și vaporilor, efectul termoelectric, gazul de desorbție și paramagnets demagnetizare adiabatică.
1.1.1 tranziții de fază
Pentru a obține o temperatură mai mică decât temperatura ambiantă, se folosesc astfel de tranziții de fază, cum ar fi topirea, dizolvarea sărurilor, fierbere și sublimare.
Căldura latentă de topire de apă cu gheață a fost utilizată pentru a răci
obiecte până la temperaturi sub 0 ° C, încă din cele mai vechi timpuri. La atingerea vitezei punctului de topire molecule solide în interiorul structurii moleculare rigide este maximă. La această temperatură, orice cantitate suplimentară de căldură, solidul rezultat, provoacă topirea parțială. Atunci când se aplică o cantitate suficientă de căldură întreaga masă de solid în faza lichidă, în timp ce temperatura rămâne constantă. Datorită căldurii absorbție de topire a temperaturii obiectului răcit este redusă.
Pentru a scădea punctul de topire în locul răcirii obișnuite gheață de apă se poate folosi un amestec format din gheață zdrobită sau zăpadă cu sare. Ca al doilea component al amestecului cea mai răspândită de clorură de sodiu și clorură de calciu. La schimbarea concentrației amestecului se modifică temperatura de topire a agentului frigorific. De exemplu, un amestec de gheață și clorură de calciu, la un conținut de 29,87% în greutate clorură de calciu se topește la o temperatură de -55 ° C
Soluția, care concentrație corespunde cel mai scăzut punct de topire, numit eutectic (legkoplavyaschimsya). Soluția eutectic, într-un recipient sigilat și congelat, este un acumulator rece (zerotor). Când înghețarea soluției eutectica și energia sunt îndepărtate ca și în cazul în care se acumulează la rece, prin topirea și absorb căldura și reduce temperatura obiectului răcit.
Procedeele de dizolvare a anumitor săruri în apă este de asemenea însoțită de absorbția unei anumite cantități de căldură, care poate fi folosită pentru răcire. În prezent, această metodă este aplicarea pe scară largă în practică nu este primit.
Una dintre cele mai eficiente modalități de a obține rece este de fierbere lichid la temperaturi negative, punctul de fierbere scăzut. Această metodă de producere la rece a fost cel mai utilizat pe scară largă și este utilizat în comprimarea vaporilor, ejecție, răcitoarele de absorbție, inclusiv în scopuri casnice.
În tranziția de la faza lichidă la vapori a moleculei sale se obține suficientă energie pentru a depăși atracție și de gravitație reciproc forțele. energia
costurile cal pentru a face lucrarea interioară pentru a depăși aceste forțe sunt foarte mari, astfel încât trecerea de la faza lichidă la vapori de substanță absoarbe mult mai multă căldură decât la trecerea de la faza solidă în lichid.
Căldura latentă de vaporizare și temperatură de fierbere și presiune depinde de proprietățile termofizice ale frigorifici. Pentru temperaturi moderat scăzute (de la 273 la 243 K), se utilizează amoniac cu un punct de fierbere normal - 33.4 C, freon, cum ar fi freonul-12 cu un punct de fierbere de -29.7 C. Pentru temperaturi criogenice de la 120 K la 4 este utilizat lichidele criogenice, printre care azotul lichid cel mai larg utilizat, având un punct de fierbere de 77 K (-196 C). Cea mai mare temperatură scăzută de fierbere de 4 K (-269 C) are heliu, care este utilizat pentru obținerea temperaturilor Ultralow.
Pentru a obține o aplicare de temperatură scăzută au primit materiale de tranziție de fază de la solid la vapori, numit sublimare. Solidul a fost sublimată la o temperatură sub punctul de topire. procesul de sublimare continuă similar cu procesul de evaporare, dar cu un ritm mult mai lent. Molecule cu viteză mare, de a depăși acțiunea forțelor de atracție intermoleculară și gravitatea și se îndepărteze de la masa de material în mediu, devenind astfel o moleculă de vapori.
Un exemplu de utilizare sublimare pentru a obține o temperatură scăzută poate fi răcit cu bioxid de carbon solid (gheață uscată). La presiunea atmosferică, temperatura de sublimare a dioxidului de carbon este egal cu -78 C, căldura de sublimare - 573 kJ / kg. La crearea unui vid în gheață uscată poate primi temperatură la -100 ° C
1.1.2 Extinderea gazelor și vaporilor
Extinderea gazelor și vaporilor, pentru a produce rece se poate face în două moduri:
1) consolidarea punerii în aplicare a muncii externe;
Într-o lucrare de expansiune adiabatică a implementării temperaturii externe și a energiei interne a substanței de lucru sunt reduse. Schimbarea maximă a temperaturii este realizată într-o expansiune isentropic reversibilă. Astfel, efectul diferențiat al schimbării temperaturii este exprimată prin:
Practic preexpandare a gazului comprimat are loc în gaz
motor sau un expandor care efectuează simultan de lucru extern. muncă externă poate fi utilizat în orice scop, cum ar fi, pentru lichide sau gaze de evacuare. Destinderea gazului presurizat în extensorul are loc fără schimb de căldură cu mediul înconjurător, și de a efectua munca în același timp, se produce gaz datorită energiei sale interne, prin care gazul se răcește. Extinderea implementării lucrărilor externe este utilizat pe scară largă în mașini de refrigerare expander de aer.
Se numește gâtuirea expansiune a mediului de lucru pe măsură ce trece prin poarta îngustat deschidere, o membrană poroasă, și alte tipuri de dispozitive de accelerație, care însoțește o modificare a temperaturii. Prin gâtuirea activitatea desfășurată de gazul, acesta este cheltuit depășirea frecare în gaura dros-
dispozitiv seliruyuschego și transformată în căldură, proces astfel extinderea are loc la entalpie constantă.
Modificarea temperaturii prin gâtuirea gazelor reale deoarece entalpia gazului este o funcție nu numai de temperatura T, presiunea P, dar și:
i = u + pv = c T v + u + pv sudoare.
u energie potențială internă a gazului, care trebuie să fie cheltuite pentru a depăși forțele de atracție dintre molecule;
p v volumul de energie gaz.
Energia necesară pentru a extinde gazului, adică, depășirea forțelor de coeziune dintre moleculele în strangulării adiabatic, atunci când nu există nici un flux de căldură din mediul înconjurător pot fi obținute numai în detrimentul energiei interne a gazului. Deoarece entalpia înainte și după gâtuirea (subscriptul 1 și 2 se referă la starea de gaz înainte și după strangulării) rămâne constantă, expresia (2) poate fi scrisă sub forma:
c v T 1 + u 1 + p = 1 c 1 v v T 2 + u 2 + v 2 2 p.
Ecuația (3) permite setarea comportamentul posibil al unui ștrangulare real al gazului, dacă 2 p v 2 r v 1. 1, apoi T 1 - T 2 0 și gâtuirea rezultat provizoriu, să
gaz peratura este coborâtă; dacă 2 p v 2 r v 1. 1, dar u 2 u 1 (p 1 v 1 v 2 p 2), apoi înecat "
TION duce și la o scădere a temperaturii T 2 T 1. Dacă, în acest din urmă caz, u 2
u 1 (p 1, p 2 v 1 v 2). după gâtuirea temperatura gazului este crescută, adică, T2
Fenomenul schimbării de temperatură a gazului real, atunci când a fost numit efectul de ștrangulare al strangulării sau Joule - Thomson. Efectul de accelerație este considerat pozitiv dacă gazul ștrangulat răcește și negativ în cazul în care temperatura gazului crește. Majoritatea gazelor au efect pozitiv accelerației throttling și răcit. Au un efect negativ de accelerație de heliu și hidrogen, care, în contrast cu alte gaze, încălzite cu gâtuirea.
Pentru a obține o temperatură scăzută se aplică, de asemenea, un efect turbionar. care se realizează în tuburi vortex. tub Schema vortex prezentat în figura 1.
Figura 1. Diagrama schematică a tubului vortex:
1 - o supapă de expansiune; 2 - capătul rece al tubului; 3 - duză; 4 - diafragmă; 5 - capătul cald al țevii.
Prin vârtej tangențial țeavă duză este alimentat cu aer comprimat. In conducta are loc în spațiul său de înfășurare, care este delimitată pe de o parte o diafragmă cu o gaură centrală, iar pe de altă parte - o supapă de accelerație. Printr-o deschidere centrală, unele dintre ieșiri de aer, având o temperatură mai mică decât inițială, iar după supapa - partea rămasă a fluxului într-o stare încălzită.
Cantitatea de aer în fluxurile calde și reci și temperaturile lor pot fi controlate pentru deschiderea supapei. Temperaturile de frânare fluxuri separate Su-
în mod esențial diferite de temperatură inițială de frânare întregul care trece prin duza de curgere.
Din punct de vedere termodinamic al proceselor care au loc în tubul vortex sunt reduse la faptul că aerul rece dă energie cinetică în masa rămasă a aerului și astfel răcit. O altă parte a aerului ia această energie și este într-o stare încălzită. Aerul tubului vortex este răcit ca urmare a expansiunii ireversibile care determina eficiența energetică scăzută a procesului de răcire.
Gâtuirea ca metodă de obținere a temperaturilor scăzute utilizate în mod obișnuit în refrigerare. Pentru a reduce presiunea și temperatura agentului frigorific utilizat în procesul de ștrangulare comprimare, absorbție, mașini frigorifice ejector.
efect Vortex a găsit aplicarea practică în răcitor Vortex.
1.1.3 Efectul termoelectric
Acțiune dispozitive de răcire termoelectrice bazate pe efectul Peltier. efect Peltier și alte două proces legate de efectul de racire termoelectric - Seebeck si Thomson, din cauza interconversia de energie electrică și termică.
SINTEZĂ efect Peltier termoelectric este următoarea: în timpul curgerii curentului I prin intersecția a două semiconductori sau conductorilor diferite în zone de contact pe unitatea de timp absorbită sau eliberată, în funcție de direcția anumită curentă de căldură. Absorbită sau eliberată în acest proces de căldură este proporțională cu curent Peltier:
Efectul termoelectric este realizată în termocupluri. termo de conducere
Element prezentat în figura 2.
Fig. Schema 2 Element termoelectric:
N, P - semiconductor ramură termoelement; A, B - placă de metal de comutare (joncțiuni); E - sursa de alimentare în curent continuu.
Două semiconductor cu n și p-conducție formează un circuit prin care trece un curent constant de la sursa E. Ca urmare a absorbției căldurii a joncțiunilor Peltier și pe alte selecție pentru a seta diferența dintre temperaturile joncțiunilor. Dacă temperatura T h la temperatura de joncțiune rece sub obiectul care trebuie răcit Că, iar temperatura la joncțiunile fierbinți T g mai mare decât T temperatura mediului ambiant,
unitatea de fuziune va îndeplini funcțiile chiller-ului, prin transferul de căldură de la sursa rece pentru mediu. Atunci când acest lucru este utilizat în plus față de Q util de frig pentru spayam rece furnizată prin conducta de flux de căldură de la joncțiuni calde, reducând posibilitatea scăderii temperaturii.
Pierderile ireversibili asociate efecte reversibile termoelectric limitează scăderea realizabilă între temperaturile de joncțiune și reduce eficiența termodinamică a generatorului de frig termoelectric.
răcire termoelectrică se găsește acum aplicarea pe scară largă în multe ramuri ale tehnologiei moderne, inclusiv în frigidere casnice și aparate de aer condiționat.
gaz 1.1.4 desorbție
Desorbție este un proces de izolare a substanțelor absorbite din adsorbant. Una dintre tehnicile este deplasarea desorbirii a componentei absorbite de către agenții adsorbante adsorbtivitatea mai mare decât componentele absorbite.
La scoaterea gazului adsorbit din suprafața absorbantului în procesul de desorbție are loc absorbția de căldură, în care temperatura scade absorbant.
Folosind criogenie desorbție obținut ordinul mai multor grade. Metoda de răcire rece tehnica moderată folosind desorbție găsit răspândit datorită pierderilor ireversibile semnificative.
1.1.5 demagnetizare adiabatică paramagnetic
Efectul demagnetizarea sau magnetocaloric adiabatică se realizează în sistemele termomagnetice. Într-un demagnetizarea adiabatică de substanțe paramagnetice precum expansiunea adiabatică a muncii de gaz împotriva forțelor externe se realizează în detrimentul costurilor energetice interne ale sistemului și, prin urmare, are ca rezultat o reducere bruscă a temperaturii.
Pentru a răci această substanță metodă paramagnetic (de obicei, o sare de paramagnetic bar) este menținut la o temperatură constantă în vid înaintat, de exemplu, într-o baie de heliu la fierbere. Substanța este supusă unui câmp magnetic puternic. Atunci când câmpul este oprit adiabatic demagnetiza care permite să se răcească materialul paramagnetic la o temperatură apropiată de zero absolut. În prezent, a creat frigidere magnetice folosind acest efect pentru temperaturi sub 1K.
In prezent demagnetizarea adiabatică este utilizat pentru răcirea la temperaturi criogenice ale probelor experimentale în laborator.