2. Sposoby uzyskiwania obniżonych temperatur

prof. DR HAB. INŻ. tadeusz R. fodemski

2.1. Chłodzenie termoelektryczne

Chłodzenie termoelektryczne występuje podczas przepływu prądu stałego w zamkniętym obwodzie utworzonym z dwu różnych - dobrze przewodzą­cych - materiałów, np. metali lub półprzewodników. W obwodzie takim następuje ochładzanie się jednego a ogrzewanie drugiego ze styków (spoin) tych materiałów i układ chłodzenia termoelektrycznego można uważać za pewien rodzaj pompy ciepła. Największy efekt temperaturowy, występujący w chłodziarkach termoelektrycznych, uzyskuje się w przypadku stosowania dwu materiałów półprzewodnikowych typu n i p, składających się ze stopów bizmutu i telluru z domieszką odpowiednio antymonu, selenu oraz dwuchlorku rtęci. Elementarne, pojedyncze obwody złożone z materiałów półprzewod­nikowych zwane są potocznie ogniwami Peltiera. Łączy się je w baterie zwane wtedy modułami Peltiera.

Działanie ogniwa Peltiera opiera się na sześciu różnych podstawowych zjawiskach (efektach) fizycznych, występujących jednocześnie (pierwsze cztery efekty, wymienione poniżej, są nazwane od nazwisk ich odkrywców). Są to:

1. Efekt Seebecka (1821 r.), który polega na wytwarzaniu napięcia elektrycz­nego (i związanego z nim przepływu prądu) w obwodzie wykonanym z dwu różnych metali (lub półprzewodników) - w wyniku różnych temperatur złączy tych materiałów. Efekt ten jest wykorzystywany w praktyce do pomiarów różnicy temperatur za pomocą tzw. termopar.

2. Efekt Peltiera (1834 r.), polegający na tym, że podczas przepływu prądu stałego w określonym kierunku przez złącze dwóch różnych metali (lub półprzewodników) wydziela się ciepło, a przy przepływie prądu w kierun­ku odwrotnym złącze to pochłania ciepło. Jest to najważniejszy efekt wśród wszystkich sześciu zjawisk (występujących, jak wspomniano, jednocześnie) i stąd też bierze się nazwa ogniw i modułów. Zależy on od właściwości fizycznych materiałów złącza i jest proporcjonalny do natężenia i czasu przepływu prądu stałego.

3. Efekt Thomsona (1856 r.), polegający na wydzielaniu lub pochłanianiu ciepła podczas przepływu prądu przez jednorodny przewodnik (lub półprzewodnik), w którym istnieje gradient temperatury (tzn. gdy tem­peratura jednorodnego materiału jest zmienna, np. na jego długości).

Omówione trzy zjawiska są odwracalne z kierunkiem prądu stałego, tzn. przy zmianie jego kierunku efekty cieplne zmieniają się na przeciwne. Towarzyszą im jednak, jednocześnie, trzy procesy nieodwracalne wywołujące straty, które pojawiają się niezależnie od kierunku przepływu prądu. Są to:

4. Efekt (ciepło) Joule'a-Lenza (1841 r.), tzn. wydzielanie się ciepła w materiałach tworzących obwód w wyniku przepływu prądu przez materiały o niezerowej rezystancji (oporze elektrycznym).

5. Przewodzenie ciepła przez materiały tworzące obwód zawsze w kierunku od spoiny ciepłej do zimnej.

6. Wymiana ciepła między materiałami tworzącymi obwód (łączącymi spoinę zimną z ciepłą) oraz otoczeniem.

Pojedyncze ogniwo Peltiera, wyodrębnione z modułu, jest przedsta­wione na rys.2.1. Połączenia między parą półprzewodników ogniwa są wykonane z płytki miedzianej spojonej z nimi odpowiednim lutem. Połączenie ogniw w moduł jest szeregowe elektrycznie (taki sam prąd przepływa przez cały moduł), ale równoległe pod względem cieplnym (każde ogniwo chłodzi płytkę modułu łączącą wszystkie zimne miedziane spoiny oraz oddaje ciepło do drugiej płytki łączącej wszystkie gorące miedziane spoiny).

Rysunek 2.1. Pojedyncze ogniwo Peltiera wyodrębnione z ogniwa

Na rysunku 2.2 są przedstawione główne strumienie energii omawiane wyżej w półprzewodniku n. Dla uproszczenia pominięto efekt Thomsona (nie odgrywa on istotnej roli w przedstawionym tu opisie jakościowym) oraz ciepło wymieniane z otoczeniem. Efekt Seebecka, związany z wytwarzaniem napięcia w wyniku różnicy temperatur, nie może być przedstawiony na jakościowym wykresie dotyczącym strumieni energii.

Wydajność chłodnicza Q_z modułu zależy nie tylko od liczby ogniw tworzących ten moduł. Z racji wielu efektów, wpływających na pracę ogniw, ma na nią wpływ również wiele innych parametrów i to zarówno materiało­wych, jak i określających warunki pracy (np. temperatury spoiny gorącej T, różnicy temperatur spoin ΔT = T_g - T_z natężenia czy też napięcia prądu stałego przepływającego przez ogniwo). Poglądowy przebieg zależności Q_z od natężenia prądu I oraz ΔT przedstawiono na rys.2.3. Podobnie jak dla innych urządzeń chłodniczych, również dla oceny modułów Peltiera stosuje się współczynnik wydajności chłodniczej, określony jako

ε = Q_z /P

gdzie P - doprowadzona moc elektryczna.

Zależność współczynnika ε od ΔT dla stałej temperatury spoiny gorącej T_g przedstawiono na rys.2.4. Należy zaznaczyć, że zarówno Q_z jak i ε zawsze wzrastają ze spadkiem różnicy temperatur ΔT. Warto również zauważyć, że istnieje zawsze wartość prądu I_max dająca, przy określonym ΔT, maksymalną wartość mocy chłodzenia Q_zmax Obniżanie się krzywych Q_z ze wzrostem ΔT wynika ze wzrostu mocy związanej z ciepłem przewodzenia Q_prz (od spoiny gorącej do zimnej) - które płynie w kierunku przeciwnym niż ciepło Peltiera Q_p Przy zwiększaniu prądu ponad I_max wartości Q_z (odpowiadające okreś­lonym ΔT) zawsze maleją. Wynika to ze wzrostu ciepła Joule'a, które coraz bardziej „niszczy" wydajność chłodniczą, aż do chwili, kiedy ciepła Peltiera i około połowa ciepła Joule'a stają się równe. Wówczas spoina zimna nie będzie w stanie odbierać ciepła, tzn. otrzymuje się Q_z = 0, a przy jeszcze dalszym zwiększeniu prądu spoina ta zamiast odprowadzać ciepło, zacznie ogrzewać.

Szczegółowe i pełne charakterystyki modułów - uwzględniające wiele parametrów zarówno konstrukcyjnych, jak i odnoszących się do warunków pracy - są dostępne w katalogach firmowych wyspecjalizowanych producen­tów, np. MELCOR (Materials Electronic Products Corporation, USA). Umożliwiają one odpowiedni wybór modułu do określonego zadania. Moduły Peltiera oraz inne elementy służące do ich praktycznego za­stosowania są dostępne na rynku krajowym, np. u przedstawiciela firmy MELCOR (Fundacja Na Rzecz Rozwoju Fizyki Technicznej, Warszawa) lub w specjalistycznych sklepach (Semicon, Giełda Elektroniczna w Warszawie).

Firma MELCOR oferuje około 150 typowych modułów: od miniaturowych (o małych wydajnościach chłodniczych, np. 0,22 W) do dużych (125 W).

W celu praktycznego zwiększenia różnicy temperatur ΔT między stronami zimną a gorącą stosuje się układy kaskadowe. Na rysunku 2.5 przedstawiony jest pojedynczy moduł Peltiera; pojedynczą kaskadę modułów Peltiera oraz wielostopniową kaskadę modułów Peltiera przedstawiają odpowiednio rys.2.6 i rys.2.7. Należy zauważyć, że wymiary poszczegól­nych modułów (związane z liczbą ogniw tworzących moduł) kaskady wielostopniowej wzrastają, gdyż na każdym stopniu wzrasta ilość ciepła, jakie zimna strona stopnia ma odprowadzić od gorącej płytki stopnia poprzedniego. Związane jest to z tym, że obciążenie każdego stopnia stro­ny zimnej powiększa się o wielkość energii napędowej stopnia poprzed­niego.

W tablicach 2.1 i 2.2 podano najważniejsze parametry wybranych serii elementów (oznaczenia wymiarów w tablicach są zaznaczone na rys.2.8 i 2.9). Rysunki 2.5 do 2.9 oraz tabl. 2.1 i 2.2 dotyczą modułów produkcji firmy MELCOR i są zaczerpnięte z katalogu tej firmy.

Rysunek 2.6. Widok pojedynczej kaskady modułów Peltiera firmy MELCOR

Rysunek 2.7. Widok wielostopniowej kaskady modułów Peltiera firmy MELCOR

Zastosowanie modułów Peltiera w urządzeniach chłodniczych jest coraz bardziej powszechne, zwłaszcza gdy zależy na:

— precyzji (np. jako bardzo dokładny termostat lub wzorzec temperatury);

• niezawodności (nie ma czynnika roboczego ani części ruchomych) oraz

• małych wymiarach.

Tablica 2.1. Podstawowe dane elementów Peltiera firmy MELCOR

Numer katalogowy	TH = 25 °C				Liczba elementów N	Wymiary, mm
		Imax A	Qmax W	Umax V		ΔTmax °C		A	B	C	D
FC 0.45-4-05 FC 0.45-8-05 PC 0.45-12-05 FC 0.45-18-0 FC 0.45-32-05 FC 0.45-66-05	0,80 0,80 0,80 0,80 0.80 0,80	0,22 0,43 0,65 0,97 1,72 3,56	0,48 0,97 1,45 2,18 3,87 7,98	67 67 67 67 67 67	4 8 12 18 32 66	1,8 3,4 3,4 5,0 6,6 9,9	3,4 3,4 5,0 5,0 6,6 9,1	3,4 5,0 5,0 6,6 8,3 11,5	2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4
FC 0.6-4-06 FC 0.6-8-06 FC 0.6-12-06 FC 0.6-18-06 FC 0.6-32-06 FC 0.6-66-06	1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20	0,32 0,65 0,97 1,46 2,59 5,34	0,48 0,97 1,45 2,18 3,87 7,98	67 67 67 67 67 67	4 8 12 18 32 66	2,2 4,2 4,2 6,2 8,3 12,3	4,2 4,2 6,2 6,2 8,3 11,3	4,2 6,2 6,2 8,3 10,3 14,4	2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7
FC 0.6-4-05 FC 0.6-8-05 FC 0.6-12-05 FC 0.6-18-05 FC 0.6-32-05 FC 0.6-66-05	1,50 1,50 1,50 1,50 1,50 1,50	0,40 0,81 1,21 1,82 3.23 6,67	0,48 0,87 1,45 2,18 3,87 7,98	67 67 67 67 67 67	4 8 12 18 32 66	2,2 4,2 4,2 6,2 8,3 12,3	4,2 4,2 6,2 6,2 8,3 11,3	4,2 6,2 6,2 8,3 10,3 14,4	2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4
FC 0.65-4-04 FC 0.65-8-04 FC 0.65-12-04 FC 0.65-18-04 FC 0.65-32-04 FC 0.65-66-04	2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00	0,54 1,08 1,62 2,43 4,31 8,89	0,48 0,97 1,45 2,18 3,87 7,98	67 67 67 67 67 67	4 8 12 18 32 66	2,2 4,2 4,2 6,2 8,3 12,3	4,2 4,2 6,2 6,2 8,3 11,3	4,2 6,2 6,2 8,3 10,3 14,4	2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2

Tablica 2.2. Podstawowe dane wielostopniowego (kaskadowego) szeregu elementów Peltiera firmy MELCOR

Numer katalogowy	TH = 25 °C				Wymiary, mm
		Imax A	Qmax W	Umax V	ΔTmax °C	A	B	C	D	E
2 CP 040 080-7-2 2 CP 040 065-31-l 7 2CP055 065-31-17 2CP085 100-31-20 2CP055 065-71-31 2 SC 040 050-127-63 2CP085 065-71-31 2 SC 055 045-127-63 2 SC 085 065-127-70	2,0 2,1 4,0 5,9 4,3 2,8 10,3 6,0 9,5	0,41 3,11 6,04 9,74 12,65 16,05 30,22 34,51 59,25	0,8 3,8 3,8 3,8 8,6 15,5 8,6 15,5 15,5	91 81 81 77 85 83 85 83 81	3,5 11,5 15 23 20 30 30 40 62	3,5 11,5 15 26 20 30 30 40 62	8 15 20 30 30 30 44 40 62	8 15 20 30 30 30 44 40 62	7,4 6,6 7,2 10,7 7,2 7,1 8,9 7,5 8,9
3 CP 040 065-31-17-7 3 CP 040 065-127-71-31 3 CP 055 065-71-31-17 3 CP 055 065-127-71-31 3 CP085 065-71-31-17	1,8 1,8 3,5 3,5 8,4	1,52 6,48 6,53 12,58 15,60	3,8 15,4 7,7 15,4 7,7	96 96 97 96 97	8 15 15 20 22	8 15 15 20 22	15 30 30 40 44	15 30 30 40 44	9,5 9,5 10,4 10,4 12,9
4CP040 080-64-26-11-6 4 CP 040 080-31-17-7-2 4CP040 065-71-31-17-7 4 CP 055 065-69-29-11-6 4CP040 080-127-71-31-17 4 CP 055 065-127-71-31-17	1,4 1,5 1,7 3,4 1,3 3,1	1,08 0,47 1,66 2,68 2,87 6,84	6,8 3,8 7,9 7,5 14,6 14,6	110 114 110 112 107 107	4 3,5 8 4,5 11,5 15	11 3,5 8 14,5 11,5 15	16 15 23 24 30 40	23,6 15 23 33 30 40	14,0 14,0 12,5 13,8 14,0 13,8
5 CP 040 065-127-71-31-17-7 5CP055 065-127-71-31-17-7	1,6 3,0	1,74 3,37	14,5 14,5	118 118	8 10	8 10	30 40	30 40	15,5 16,9
6 CP 040 065-127-71-31-17-7-2 6 CP 055 065-127-71-31-17-7-2	1,5 3,0	0,63 1,22	14,5 14,5	131 131	3,5 5	3,5 5	30 40	30 40	18,3 20,1

Moduły Peltiera są stosowane do chłodzenia elementów różnych urzą­dzeń elektronicznych najwyższej klasy oraz w precyzyjnych urządzeniach stosowanych w medycynie, biologii i w urządzeniach statków kosmicznych oraz skafandrach kosmonautów. Wzrasta zastosowanie modułów Peltiera do celów klimatyzacyjnych (w dużych samochodach ciężarowych), w niewiel­kich lodówkach (również samochodowych) oraz do schładzania napojów. Urządzenia te są jednakże kosztowne.

2.2. Chłodzenie przez rozprężanie

Chłodzenie dowolnego ciała polega na odbieraniu ciepła, które może być przejmowane przez inne ciało (będące z nim w kontakcie) mające niższą temperaturę, np. przez powietrze, wodę, lód czy solankę. W przypadku braku ciała o niższej temperaturze trzeba wówczas zużyć pewną ilość energii, aby chłodzonemu ciału nadać wymaganą niższą temperaturę. Jednym ze sposo­bów osiągnięcia tego jest rozprężanie gazów o ciśnieniu wyższym niż otoczenie.

W procesach rozprężania gazów rzeczywistych praktycznie w większości przypadków, z jakimi można mieć do czynienia w zastosowaniach oma­wianych w tym poradniku, temperatura obniża się. Nie jest to jednak ogólna reguła. Istnieją bowiem takie warunki początkowe sprężonego gazu, przy którym efekt zmiany temperatury rozprężanego gazu, zwany zjawiskiem Joule'a-Thomsona (1842 r.), nie powoduje obniżenia się jego temperatury, ale jej wzrost lub, niekiedy, utrzymywanie się jej na stałym poziomie.

Warunki decydujące o tym, który z tych trzech możliwych przypadków zachodzi, są określone przez dwa parametry definiujące stan gazu. Naj­częściej są to: ciśnienie i temperatura (rys.2.10), ale używa się również i inne grupy dwu parametrów, np.: temperaturę i objętość właściwą, temperaturę i entropię lub entalpię i entropię. W zależności od tych parametrów określone są wartości tzw. współczynnika efektu Joule'a--Thomsona w stanie zdefiniowanym przez te parametry i oznacza się go zwykle przez σ. Przy jego użyciu można wyrazić niewielką zmianę temperatury gazu ΔT przy rozprężaniu (dławieniu przy stałej entalpii) o bardzo małą różnicę ciśnień Δp, czyli praktycznie w stanie zdefiniowanym przez te dwa parametry stanu, tzn.

ΔT = σr(Δp)

Jeżeli wartość współczynnika σ jest dodatnia, to spadkowi ciśnienia towa­rzyszy spadek temperatury, jeżeli jest ujemna, to odwrotnie (czyli spadek ciśnienia powoduje wzrost temperatury). Przy zerowej wartości tego współ­czynnika rozprężanie nie powoduje żadnych zmian temperatury i mówi się wtedy, że gaz zachowuje się jak gaz doskonały. Przedstawiona na rys.2.10 krzywa dzieli obszar wykresu na pola dodatniej i ujemnej wartości

Rysunek 2.10. Krzywa inwersji dla gazu rzeczywistego

współczynnika σ i nazywa się ją krzywą inwersji.

W każdym punkcie tej krzywej wartość σ = 0. Na wykresie zaznaczono, dla lepszej orientacji i porównania, również i inne linie: parowania, topnienia i sublimacji (omawiane w p.1.8). Znając wartość współczynnika σ, w zakresie ciśnień między którymi gaz jest rozprężany, można obliczyć odpowiadającą temu zakresowi zmianę tem­peratury gazu.

Efekt Joule'a-Thomsona, tzn. obniżania się temperatury gazów przy rozprężaniu, jest stosowany w praktyce do skraplania gazów. Na przykład, przy rozprężaniu adiabatycznym powietrza o ciśnieniu 91,7 bar i tem­peraturze otoczenia do ciśnienia l bar uzyskuje się temperaturę -190°C. Ochłodzenie to odbywa się kosztem energii, którą zużyto na pracę sprężania powietrza do wysokiego ciśnienia.

2.3. Chłodzenie wykorzystujące zmianę stanu skupienia

2.3.1. Topnienie

Do chłodzenia wykorzystującego topnienie najczęściej stosuje się lód wodny. Używa się również lód eutektyczny, będący zamarzniętym roztworem soli w wodzie, dzięki czemu można uzyskać temperaturę poniżej 0°C.

Najbardziej odpowiednią postacią lodu do okładania chłodzonej masy, np. ryb, jest lód łuskowy. Łuski lodu o grubości 1,5 do 2 mm i wymiarach 30 x 50 mm przylegają prawie całą powierzchnią do chłodzonej masy, co sprzyja szybkiemu odbieraniu ciepła. Wytwornice lodu zainstalowane na statkach rybackich są przystosowane do wytwarzania lodu z wody morskiej w sposób ciągły.

PRZYKŁAD 2.1. Obliczyć ile lodu o temperaturze -5°C potrzeba do odebrania 134000 kJ (32000 kcal), np. od mięsa.

Rozwiązanie. Ilość ciepła, którą pobiera l kg lodu ogrzewając się o 1°C, jest równa ciepłu właściwemu lodu i wynosi 2,1 kJ/(kg⋅°C), co odpowiada 0,5 kcal/(kg⋅°C). Każdy kilogram lodu, ogrzewając się od -5°C do 0°C, pobierze 2,1 kJ/(kg⋅°C) ⋅ 5°C = 10,5 kJ/kg ciepła, a zamieniając się w wodę o tempera­turze 0°C pobierze ciepło równe ciepłu topnienia lodu, które wynosi 335 kJ/kg (co odpowiada 80 kcal/kg). Łącznie każdy kilogram lodu o temp. -5 °C, przechodząc w wodę o temp. 0°C, pobierze: 335 + 10,5 = 345,5 kJ/kg. Dlatego, aby odebrać 134000 kJ od mięsa, potrzeba 134000/345,5 = 388 kg lodu.

W praktyce ilość ta będzie większa, ponieważ lód będzie topniał nie tylko wskutek ciepła odbieranego od mięsa, ale również i od otoczenia.

PRZYKŁAD 2.2. Zapasy lodu w wagonie-chłodni mieszczą 2500 kg lodu. Wagon został ochłodzony do temperatury 0°C i załadowany towarem o temperaturze również 0°C. Obliczyć na jak długo wystarczy lodu, jeśli przenikanie ciepła przez ścianki, nieszczelności i wentylacje wynosi: a) 335 000 kJ/dobę, b) 670 000 kJ/dobę.

Rozwiązanie. Przyjmujemy w uproszczeniu, że wobec wprowadzenia towaru o temperaturze 0°C nie będzie zachodziła zmiana jego temperatury. W takim przypadku, całe ciepło topnienia będzie szło na pokrycie strat.

Jeden kilogram lodu topniejąc, pobiera 335 kJ/kg. W ciągu doby powinno zatem stopnieć:

a) 335000/335=1000 kg/dobę. Zapas 2500 kg lodu wystarczy więc na 2500/1000 = 2,5 doby;

b) 670000/335 =2000 kg/dobę. Zapas 2500 kg lodu wystarczy więc na 2500/2000 = 1,25 doby.

PRZYKŁAD 2.3. Ile ciepła potrzeba, aby zamienić l kg lodu o temperaturze -20°C na parę o temperaturze 100°C?

Rozwiązanie. Zgodnie z rys.1.11 potrzebne ciepło jest sumą czterech składników, a mianowicie:

a) ciepła do podgrzania 1 kg lodu od temperatury - 20°C do temperatury topnienia, tj. 0°C, czyli 20 - 2,1 = 42 kJ/kg,

b) ciepła do zamiany 1 kg lodu o temperaturze 0°C na wodę o tej samej temperaturze, tj. 335 kJ/kg (patrz przykład 2.2),

c) ciepła do podgrzania 1kg wody od 0°C do 100°C (wykorzystując ciepło właściwe wody podane w tabl. 1.7), czyli 4,2 - 100 = 420 kJ/kg,

d) ciepła do odparowania 1 kg wody (jest to ciepło parowania podane w tabl. 1.9), czyli 2260 kJ/kg.

Potrzebna ilość ciepła, tj. suma wszystkich składników, wynosi: 42 + 335 + 420 + + 2260 = 3057 kJ/kg.

PRZYKŁAD 2.4. Do naczynia zawierającego l kg wody o temperaturze 20°C

wrzucono 0,2 kg lodu o temperaturze 0°C. Podać końcową temperaturę wody

w naczyniu, zakładając że naczynie jest doskonale izolowane (nie ma żadnych strat ciepła).

Rozwiązanie. Oznaczając przez t_x końcową temperaturę wody, możemy ją obliczyć

z porównania następujących wielkości:

a) ciepła pobranego przez lód na stopienie, tzn. 0,2 kg ⋅ 335 kJ/kg = 67 kJ;

b) ciepła pobranego przez wodę (powstałą ze stopionego lodu) ogrzewającej się od temperatury 0°C do szukanej końcowej temp. t_x całej wody, tzn. 0,2⋅4,2 ⋅ t_x = 0,84 t_x;

c) ciepła oddanego przez wodę o masie l kg i temperaturze 20°C, schładzającej się

do temperatury końcowej całej wody t_x tzn. 1⋅ 4,2 ⋅ (20 - t_x). Ponieważ nie ma żadnych strat, zatem ciepło pobrane (suma a i b) równa się ciepłu oddanemu (określone przez c) i dlatego mamy:

67 + 0,84 t_x = 4,2 ⋅ (20 - t_x).

Z tej zależności można wyznaczyć końcową wartość temperatury całej wody:

t_x = (84 - 67) / (0,84 + 4,2) = 3,373°C

2.3.2. Sublimacja

Do chłodzenia wykorzystującego sublimację stosuje się zestalony dwutlenek węgla (CO₂), potocznie zwany ,,suchym lodem". Jego ciepła sublimacji w zależności od ciśnienia (i związanej z tym ciśnieniem temperatury równowagi) podane są w tabl. 2.3.

W kraju jest czynnych kilka fabryk wytwarzających suchy lód, który jest używany m.in. do chłodzenia wagonów-chłodni.

PRZYKŁAD 2.5. Obliczyć ile suchego lodu, sublimującego pod ciśnieniem 0,98067 bar, potrzeba do odebrania 134000 kJ.

Rozwiązanie. Zakładamy, że tylko ciepło sublimacji efektywnie odbiera podaną energię. Z tablicy 2.3 mamy, że ciepło sublimacji, w warunkach określonych podanym ciśnieniem, wynosi 573,131 kJ/kg. Niezbędna masa suchego lodu do odebrania 134000 kJ wynosi

134000/573,131 = 233,8 kg

Tablica 2.3. Właściwości pary nasyconej i lodu dwutlenku węgla (CO₂) poniżej punktu potrójnego

Temperatura		Ciśnienie nasycenia N/cm^2	Gęstość właściwa		Ciepło sublimacji rs
°C	K			lodu m^3/kg	pary m^3/kg	kJ/kg	kcal/kg
-100 -95 -90 -85 -80 -78,9 -75 -70 -65 -60 -56,6	173,15 178,15 183,15 188,15 193,15 194,25 198,15 203,15 208,15 213,15 216,55	1,3925 2,3144 3,7167 5,8448 8,9633 9,8067 (ciśn. atm.) 13,4351 19,8094 28,7335 40,9918 51,7791	1594 1590 1582 1574 1566 1566 1556 1546 1534 1522 1513	0,428 0,694 1,03 1,67 2,51 2,74 3,72 5,39 7,73 11,0 13,9	535,315 582,803 580,290 577,360 574,010 573,131 570,242 564,799 558,519 550,146 543,865	139,8 139,2 138,6 137,9 137,1 136,9 136,2 134,9 133,4 131,4 129,9

2.3.3. Parowanie i wrzenie

Chłodzenie przez wykorzystanie ciepła parowania cieczy jest najbardziej rozpowszechnione ze wszystkich sposobów chłodzenia. W najprostszych urządzeniach odparowana ciecz jest odprowadzana do atmosfery, i nie jest więc z powrotem skraplana, aby można ją było ponownie zastosować. Na przykład w ten sposób są chłodzone za pomocą ciekłego azotu samochody-chłodnie. Skroplony azot znajduje się w butli, z której wypływa bezpośred­nio do wnętrza samochodu, gdzie odbierając ciepło paruje przy -196°C. Ciepło wrzenia ciekłego azotu przy 760 mmHg wynosi 199 kJ/kg (47,6 kcal/kg). Mimo tracenia azotu opisany sposób chłodzenia może konku­rować z innymi metodami chłodzenia, ponieważ urządzenie jest proste i ta­nie, ciekły azot zaś jest produktem ubocznym uzyskiwanym w tlenowniach przy rektyfikacji powietrza lub pochodzi ze złóż podziemnych, gdzie wraz z innymi gazami znajduje się pod ciśnieniem bezwzględnym ok. 147 bar.

Poza transportem, ciekły azot służy do bardzo szybkiego zamrażania i do długotrwałego przechowywania produktów w niskiej temperaturze, w medy­cynie, biologii i elektronice.

Oprócz ciekłego azotu do uzyskiwania niskich temperatur stosuje się inne ciecze, jak np. ciekłe powietrze, ciekły hel, ciekły tlen. Są to ciecze kriogeniczne (po grecku kryos = mróz, geinomai = wytwarzać, wywoły­wać), których temperatura wrzenia leży poniżej 120 K (-153°C) przy ciśnieniu atmosferycznym.

Do uzyskiwania umiarkowanie niskich temperatur wykorzystuje się ciepło parowania innych cieczy, jak np. ciekły amoniak, ciekłe freony, ciekły chlorek metylu. W praktyce chłodniczej nazywają się one czynnikami chłodniczymi. Czynniki chłodnicze są dość drogie, więc nie dopuszcza się do odparowania ich do atmosfery. W tym celu buduje się urządzenia chłodnicze, w których czynniki odparowują, obniżając temperaturę otaczającego ośrodka i następnie są skraplane, aby można je było ponownie zastosować do chłodzenia.

Temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia, przy którym odbywa się wrzenie. Woda wrze w temperaturze 100°C, jeśli ciśnienie jest równe 1 bar. W kotłach parowych, pracujących np. przy ciśnieniu 15,55 bar, woda wrze dopiero w temperaturze 200°C. Gdyby jednak w jakimś naczyniu z wodą obniżyć ciśnienie, np. do ok. 0,07 bar, wówczas woda wrzałaby już w temperaturze 40°C. Zjawisko wpływu ciśnienia na temperaturę wrzenia można zaobserwować w górach. Jak wiadomo, w miarę oddalania się wzwyż od poziomu morza ciśnienie atmosferyczne maleje. W związku z tym im wyżej jesteśmy w górach, tym przy niższej temperaturze stwierdzamy wrzenie wody.

Zjawisko wrzenia cieczy przy coraz to niższych temperaturach w miarę malenia ciśnienia można zauważyć przy wrzeniu wszystkich cieczy, jednak każda ciecz ma właściwą sobie temperaturę wrzenia przy danym ciśnieniu. Można to stwierdzić, porównując dwie pierwsze kolumny tablic właściwości różnych czynników (patrz rozdz. 37, tabl. 37.20-37.25).

Zmianę ciśnienia parowania (wrzenia) wraz ze zmianą temperatury można przedstawić w postaci wykresu. W tym celu na przygotowaną siatkę wykresu (rys.2.11) nanosi się punkt po punkcie, dla temperatur podanych na wykresie, ciśnienia odczytywane z odpowiedniej tablicy (dla czynnika R134a są one podane w rozdz. 37 w tabl. 37.23 w kolumnie 2).

Łącząc poszczególne punkty otrzymuje się, w danym przypadku, krzywą wrzenia czynnika chłodniczego R 134a. Taki wykres pozwala w sposób przejrzysty śledzić przebieg zmian zachodzących w cieczy R134a. Jak widać z wykresu, przy ciśnieniu atmosferycznym (l bar) R134a wrze już w temperaturze -26,8°C.

Jeżeli R134a jest zamknięty w butli i ma temperaturę +20°C (rys. 2.12), to ciśnienie w butli wynosi 5,694 bar. Między cieczą a parą R134a znajdującą się nad cieczą panuje równowaga, pozostają one w stanie nasycenia. Ten stan nie zmieni się, jeżeli temperatura otoczenia butli pozostaje stała i wynosi również +20°C. Gdy jednak otworzyć nieco zawór, wówczas pod wpływem różnicy ciśnienia w butli i atmosferycznego, natychmiast rozpocznie się wypływ pary czynnika z butli i ciśnienie w niej nieco spadnie. Na miejsce wypuszczonej z butli pary zacznie się wydzielać z cieczy nowa para. Ciecz wrze. W pierwszej chwili ciepło potrzebne do wrzenia ciekły czynnik pobiera ze swojej masy, co powoduje, że temperatura cieczy zaczyna się obniżać.

Pojawia się różnica temperatury między otoczeniem a cieczą w butli. Od tej chwili ciepło potrzebne do wrzenia doprowadzane jest również z otoczenia. Jeśli zawór pozostanie otwarty, to zarówno ciśnienie, jak i temperatura czynnika będą nadal stopniowo malały, aż wreszcie ciśnienie w butli stanie się równe atmosferycznemu. Wówczas temperatura cieczy pozostałej w butli będzie wynosiła -26,8°C, gdyż przez cały czas wypływu pary ciśnienie i temperatura w butli będą się zmieniały wg krzywej przedstawionej na rys.2.11. Gdy temperatura cieczy czynnika chłodniczego wrzącego w butli jest niższa od temperatury otoczenia, do butli napływa z otoczenia ciepło, co jest równoznaczne z ochładzaniem otoczenia.

2.4. Uproszczone urządzenie chłodnicze

Jeżeli butlę z czynnikiem chłodniczym odwróci się i podłączy wężownicę (rys.2.13), to odparowanie będzie się odbywało również w wężownicy, nazy­wanej z tego powodu parownikiem. Gdy parownik jest umieszczony w szafie chłodniczej, wówczas jego otoczeniem jest wnętrze szafy i parowanie odbywa się dzięki ciepłu odbieranemu z jej wnętrza. Zawór przy butli powinien być otwarty tylko tyle, aby wrząca ciecz wypływała z butli jedynie w takiej ilości, która zdąży odparować przed opuszczeniem wężownicy. Tylko wrzenie cieczy w wężownicy będzie powodowało ochładzanie wnętrza szafy. Ciecz wy­pływająca z wężownicy i odparowująca poza nią nie przyczyni się do obniżania temperatury w szafie chłodniczej. Zawór, którym reguluje się wypływ cieczy, nazywa się zaworem regulacyjnym lub zaworem rozprężnym (ekspansyjnym).

1

46

---