Атомная энергеик

Введение

 

Под искусственным холодом в технике понимают получение температуры ниже, чем в окружающей среде, и поддержание такой температуры в технологических процессах или помещениях. Источником искусственного холода служат холодильные машины и установки, представляющие собой аппараты и трубопроводы с замкнутым циклом движения специальных веществ – рабочих тел, изменяющих свое агрегатное состояние в процессе получения холода.

Мысль о применении искусственного холода была высказана еще М.В. Ломоносовым в его труде «Размышления о причине тепла и холода». Однако практически искусственный холод научились получать только в 19 столетии.

Первым потребителем искусственного холода стала пищевая промышленность. С помощью холодильных машин стали замораживать и хранить мясо, рыбу и другие скоропортящиеся пищевые продукты.

Бурный технический прогресс 20 столетия, развитие современных отраслей промышленности привели к использованию искусственного холода в большом количестве технологических процессов. Сейчас почти нет отраслей народного хозяйства, не применяющих холод.

Длительное хранение пищевых продуктов, создание искусственного микроклимата в закрытых помещениях (кондиционирование), низкотемпературная закалка металла, замораживание водоносных грунтов для строительных работ, химическая технология, медицина – вот далеко не полный перечень применения искусственного холода.

Ряд физических, химических и других процессов при низких температурах протекает по-иному, чем при обычных, а многие современные химические продукты без искусственного холода было бы просто невозможно получить.

Химическая промышленность вышла на первое место по масштабам применения искусственного холода. Современная химия революционирует производство не меньше, чем это сделали в свое время паровая машина и электрический двигатель. Немалую роль в развитии химической промышленности сыграли прогресс холодильной техники и возможность использования огромных количеств холода.

Искусственное охлаждение входит как необходимое звено в большое количество процессов химической технологии. С помощью холода сжижают и разделяют газы, очищают нефть от твердых компонентов, выделяют соли из растворов, получают аммиачные удобрения, производят многие виды пластмасс и др.

 

1. Физические основы получения  искусственного холода

 

1.1 Основы теплоотдачи

 

Передача внутренней энергии в виде теплоты от одних тел к другим или от одних молекул другим молекулам того же тела называется теплопередачей. Теплота передается всегда от тел более нагретых к менее нагретым под действием разности температур. В зависимости от состояния тел (твердые, жидкие или газообразные), а также от их взаимного расположения существуют три способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание.

В твердых телах теплота передается без механического перемещения частиц вещества, за счет передачи энергии движения соседним молекулам и называется теплопроводностью. Тепловая энергия молекул более нагретого участка вещества передается соседним, более холодным. Это можно наблюдать, например, при нагреве одного конца куска медной проволоки над пламенем спиртовки. Этот вид теплообмена происходит до тех пор, пока температура во всех участках тела не уравняется.

Способность различных веществ проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности, измеряемым в Вт/(м К).

В жидкостях и газах передача тепловой энергии от нагретых слоев к холодным происходит за счет конвекции, т.е. в результате перемещения частиц вещества в объеме. Это происходит потому, что холодные газ или жидкость тяжелее теплых. Нагретые слои всегда выталкиваются вверх, а их место занимают холодные. Учитывая процесс конвекции, отопительные батареи устанавливаются по возможности ниже, а охлаждающие батареи холодильников в верхней части помещений.

Передача тепла в жидкостях и газах путем естественного перемещения холодных слоев вниз, а теплых вверх называется естественной конвекцией. Перемещение газов при естественной конвекции происходит с небольшой скоростью. Поэтому в холодильной технике часто применяется принудительная конвекция, когда рядом с охлаждающей батареей устанавливается вентилятор. Такие батареи называются воздухоохладителями. С их помощью охлаждение происходит в несколько раз быстрее и перепад температур по высоте в охлаждаемых помещениях устанавливается минимальным: в пределах 1 – 2 ' С.

Способ передачи тепла лучеиспусканием называют еще температурным излучением, так как в основном все нагретые тела излучают тепло в виде инфракрасных лучей. Чем больше тело нагрето, тем больше лучистой энергии оно излучает. Лучистая энергия может передаваться на огромном расстоянии. Лучепоглощение различных тел зависит от окраски и состояния их поверхности. Темные поверхности поглощают почти всю лучистую энергию, которая на них падает, и при этом нагреваются, белые почти полностью отражают, прозрачные пропускают через себя, почти не нагреваясь.

В холодильной технике приходится иметь дело в основном с двумя видами передачи тепла – теплопроводностью и конвекцией.

Обмен тепла между поверхностью тела и окружающей средой называется теплоотдачей.

Интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей его жидкостью, паром или газом характеризуется коэффициентом теплоотдачи, измеряемым в Вт/(м2 К).

Теплоотдача одного и того же вещества может быть различной. Например, нагретый брусок стали очень быстро охлаждается в воде, медленнее в масле и еще медленнее на воздухе, даже если температуры воды, масла и воздуха одинаковы. Теплоотдача зависит от того, какие теплопередающие тела соприкасаются и как быстро тепло отводится от нагретого тела.

На величину коэффициента теплоотдачи влияют разность температур между поверхностью тела и окружающей среды и физические свойства обеих сред.

В технике приходится иметь дело со сложными процессами теплообмена, например, с передачей тепла от одной среды к другой через разделяющую стенку. Количество проходящего через стенку тепла зависит от целого ряда факторов: величины площади поверхности, толщины и коэффициента теплопроводности материала стенки, времени, в течение которого поддерживается разность температур с обеих сторон стенки, скорости движения и теплофизических свойств сред с обеих сторон стенки и разности температур. Количественной характеристикой сложного процесса теплообмена через разделяющую стенку служит коэффициент теплопередачи, на величину которого влияют коэффициент теплоотдачи от теплой среды разделяющей стенке, толщина и теплопроводность стенки, коэффициент теплоотдачи от стенки холодной среде. Коэффициент теплопередачи также измеряется в Вт/(м2 К).

Зная поверхность теплопередачи, разность температур по обе стороны разделяющей стенки и коэффициент теплопередачи, можно определить общее количество тепла, прошедшее через стенку в единицу времени: Q = F k (t1 – t2) Вт.

 

1.2 Фазовые изменения веществ

 

Существуют три агрегатных состояния вещества: газообразное, жидкое и твердое. Переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое называются фазовыми изменениями.

В процессе получения искусственного холода фазовые изменения веществ, происходящие с поглощением или выделением тепла, находят широкое применение.

Количество тепла, которое может поглотить 1 кг рабочего тела холодильной машины, называется холодопроизводительностью рабочего тела. Единицами измерения холодопроизводительности являются Дж/кг или кал/кг.

Изменения агрегатного состояния вещества сопровождаются выделением или поглощением теплоты в связи с внутренней работой по перегруппировке молекул. Так как агрегатное состояние вещества изменяется при постоянной температуре, зависящей от физических свойств и условий перехода вещества из одного состояния в другое, то выделяемая или поглощаемая теплота называется скрытой.

Переход твердого тела в жидкое состояние при определенной температуре называется плавлением. Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при постоянной температуре в жидкое состояние, называется скрытой теплотой плавления или просто теплотой плавления.

Когда тело при постоянной температуре переходит из жидкого состояния в твердое, выделяется такое же количество тепла.

Температура плавления при нормальном давлении называется точкой плавления. Для льда точка плавления равна 0 ' С.

Повышение давления при плавлении обычно затрудняет изменение агрегатного состояния и вызывает повышение температуры перехода в жидкое состояние.

Температура плавления и затвердевания водных растворов солей зависит от рода соли и концентрации ее в растворе. Наиболее низкая температура плавления и затвердевания раствора определяется криогидратной точкой.

Превращение твердых тел сразу в пар, минуя жидкую фазу, называется сублимацией. Количество тепла, необходимое для перехода 1 кг твердого вещества в пар при постоянном давлении и температуре, называется теплотой сублимации. Твердая углекислота при атмосферном давлении переходит в газообразное состояние при – 78 ' С.

Кипением называется процесс превращения жидкости в пар, происходящий по всему объему жидкости. Подобно тому, как температура льда во весь период его таяния осталась неизменной, температура жидкости, нагретой до точки кипения, остается постоянной, пока она вся не выкипит.

Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг жидкости, доведенной до температуры кипения, в пар, называется удельной теплотой парообразования или теплотой кипения.

Теплота парообразования расходуется на преодоление сил взаимного притяжения молекул жидкости и отрыв их от кипящей массы.

Испарением называется процесс превращения в пар жидкости, не достигшей точки кипения. Испарение происходит не по всему объему жидкости, а только на поверхности.

Процесс, обратный кипению, называется конденсацией. Конденсация протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования.

Во время кипения и при конденсации над поверхностью жидкости находится насыщенный пар.

Плотность и давление насыщенного пара в присутствии жидкости не изменяется при изменении его объема, при условии, что температура жидкости и пара остается неизменной. Насыщенный пар всегда находится в динамическом равновесии с жидкостью.

Давление насыщенного пара для каждой жидкости изменяется только с изменением температуры: чем выше температура, тем больше давление.

Насыщенный пар может быть сухим и влажным. Сухой насыщенный пар получается при полном испарении всей жидкости. Влажный пар – смесь сухого насыщенного пара с мельчайшими капельками жидкости, находящимися в нем во взвешенном состоянии.

1.3 Понятие о холодильном  цикле

 

Термодинамические процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последовательно различные превращения, возвращается снова в первоначальное состояние, называются замкнутыми процессами или циклами.

В системах координат, по осям которых откладываются параметры состояния (p – v; T – s; p – i), такие процессы изображены замкнутыми контурами. За начало и конец цикла может быть принята любая его точка, но обычно за начало цикла принимают начало подвода теплоты к рабочему телу.

Различают прямые и обратные термодинамические циклы. Прямые циклы – это циклы тепловых двигателей. В них рабочее тело переносит тепло от нагретого источника к холодному, совершая при этом полезную работу за счет своего расширения (например, в паровой или газовой турбине).

В графиках прямых циклов линия расширения всегда расположена выше линии сжатия, а сам цикл совершается по часовой стрелке.

Назначение холодильных машин – отбирать тепло от охлаждаемого объекта и возвращать его более теплой окружающей среде.

Холодильная машина представляет собой замкнутую систему, внутри которой циркулируется рабочее тело, называемое холодильным агентом или хладагентом.

Чтобы перенести тепло, необходимо затратить внешнюю энергию на сжатие хладагента. Работа сжатия в холодильных машинах всегда больше работы расширения. Линия сжатия на графиках холодильных циклов располагается выше линии расширения, а сам цикл совершается против часовой стрелки. Поэтому такие циклы называют обратными или холодильными циклами.

Для эффективной работы холодильной машины не безразлично, из каких процессов состоит совершающийся в ней обратный цикл. Стремятся создать такие циклы, в которых получение холода происходит с минимальной затратой внешней энергии.

Наиболее совершенным холодильным циклом является обратный цикл Карло, получивший свое название по имени французского инженера, который предложил и исследовал его в середине 19 века. Этот цикл состоит из двух изотермических (4-1 и 2-3) и двух адиабатных (1-2 и 3-4) процессов.

В изотермическом процессе (4-1) к холодильному агенту подводится тепло от охлаждаемой среды, при этом температура остается постоянной. Точка 1 характеризует состояние паров хладагента, температура которых соответствует температуре охлаждаемой среды. В процессе адиабатного сжатия (1-2), протекающего без теплообмена с окружающей средой, температура и давление паров хладагента возрастают до значений, при которых начинается конденсация их в жидкость. Это состояние характеризуется на графике точкой 2. На этот процесс затрачивается работа. Процесс конденсации протекает при постоянной температуре Тк и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится в окружающую среду. Точка 3 на графике характеризует состояние, при котором процесс конденсации заканчивается и пары холодильного агента полностью переходят в жидкое состояние.