Діапазони низьких температур, від кімнатної температури, умовно поділяють на область помірно низьких (область помірного холоду від +20 до - 120 0 С) і кріогенних температур (область глибокого холоду від -120 до -273 0 С). Область помірного холоду застосовується в холодильній техніці. Область температур від +10 до -40 0 С застосовується в холодильній технології при виробництві продуктів харчування. Область глибокого холоду застосовується в кріогенної техніки.
Залежно від оточуючих умов (тиску і температури), речовини можуть перебувати в одному з трьох фазових (агрегатних) станів - твердому, рідкому і газоподібному.
При підведенні або відведення теплоти речовини змінюють свій фазовий стан (наприклад, переходять з твердого в рідкий, з рідкого в газоподібний). На рис.1.1 показана фазову діаграму води, що відображає умови рівноваги між різними фазами в діапазоні тисків 0 ¸ 0,1 МПа. Зміна зовнішнього тиску призводить до зміни закономірностей, що характеризують фазові переходи при атмосферних умовах. При загальному тиску Р в системі більш 6,17 х 10 2 Па (потрійна точка води) можливе співіснування трьох фаз - твердого, рідкого та
Мал. 1.1. Фазова діаграма води.
пароподібного (газоподібного). при Р <6,17 · 10 2 Па возможно сосуществование только двух фаз – твердой и парообразной. t0 = 0,0098 0 С, Р0 = 6,17 ۰ 10 2 Па – тройная точка воды.
При атмосферному тиску (Р1) і відповідних температурах можуть існувати три фази води: тверда при t1 ≤ 0 0 C, рідка при 100 0 C ≥ t ≥ 0 0 C, газоподібна при t2 ≥ 100 0 C. З трьох агрегатних станів найбільший інтерес в холодильної технології має твердий стан, який виникає при зниженні температури системи до рівня, при якому створюються відповідні умови для фазового переходу рідина - тверда речовина.
Охолодженням називається процес зниження температури охолоджуваного тіла. Розрізняють природне і штучне охолодження. Природне охолодження здійснюється внаслідок мимовільної передачі теплоти навколишньому середовищу (атмосферному повітрю, воді природних водойм і грунту, що мають більш низьку температуру, ніж охолоджуване тіло).
Штучний холод отримують двома способами. Перший заснований на акумулюванні природного холоду, другий на існуючій в природі закономірності, яка виражається другим законом термодинаміки. Перший спосіб, що відноситься до області крижаного або льодосоляною охолодження, заснований на тому, що коливання температури навколишнього середовища в природних умовах створюють можливість зберігати або акумулювати природний холод в порівняно обмеженому просторі. Найбільш поширеним тілом, яке зберігає природний холод, є водний лід. Його заготовляють взимку, щоб в теплу пору року використовувати для охолодження. другий спосіб
становить основу машинного охолодження. Застосування охолоджуючих пристроїв, холодильних машин, складають спеціалізовану область техніки, яка називається холодильною технікою.
До основних фізичних процесів, при якому відбувається фазовий перехід речовини, відносять: плавлення, конденсація, випар, сублімація, кипіння. Саме ці процеси лежать в основі отримання низьких температур.
1) Плавлення водного льоду і розчинів солей. Температура плавлення (затвердіння) залежить від виду речовини і тиску навколишнього середовища. При перетворенні 1 кг льоду в воду при 0 0 С, можна відвести 335 кДж теплоти, при цьому температуру охолоджуваного речовини теоретично можна знизити до 0 0 С. r = 335 кДж / кг є прихованою теплотою плавлення або затвердіння. Зміна фазового стану в будь-якому напрямку відбувається при одній і тій же температурі.
де М - маса, кг, r - прихована (питома) теплота плавлення, кДж / кг.
На практиці цей спосіб охолодження давно застосовується за рахунок заготовленого взимку льоду (природний холод), або замороженої води в льодогенераторах.
Для досягнення більш низьких температур застосовують льодосоляною суміші - суміш льоду з хлористим натрієм або з хлористим кальцієм. При утриманні хлористого натрію в кількості 22, 4 мас. % В суміші з льодом, температура плавлення знижується до -21,2 0 С, а прихована теплота плавлення становить 236,1 кДж / кг. Застосовуючи в суміші з водним льодом хлористий кальцій (29,9 мас.%) Можна знизити температуру плавлення суміші до -55 0 С, в цьому випадку r = 214 кДж / кг.
2) Сублімація - це перехід речовини з твердого стану в газоподібний, минаючи рідку фазу при поглинанні теплоти.
При атмосферному тиску сухий лід - це тверда двоокис вуглецю - переходить з твердого стану в газоподібний при температурі -78,9 0 С. Цей спосіб широко використовують для охолодження, заморожування, зберігання і транспортування в замороженому стані харчових продуктів. Теплота сублімації становить 571 кДж / кг.
При сушінні білизни взимку при атмосферному тиску відбувається сублімація замороженої води.
Процес сублімації лежить в основі промислового отримання сублімованих продуктів.
Сублімації сушіння - це сучасний спосіб консервування продуктів харчування, що полягає в миттєве-ном видаленні вологи з ягід, овочів, фруктів, м'яса, масла, молочних виробів, риби, грибів та інших продуктів харчування в вакуум-них установках.
Технологія сублімації сушіння включає два основних етапи: заморажив-вання і власне сушку. Під час вакуумно-сублімаційного сушіння з продукту видаляється волога шляхом сублімації (випаровування-ня) льоду. При цьому мінуется рідка фа-за. При замочуванні у воді сублімує-ванні продукти швидко повертаються до первозданної формі.
У процесі сублімації зберігаються поживні вещест-ва (до 95%), вітаміни, мікроелементи, природний запах, смакові якості і зовнішній вигляд вихідного продукту, зручні для зберігання і транспортування, термін зберігання при кімнатній температурі становить 12 - 36 місяців в залежності від виду сировини і упаковки. Одним з найважливіших досто-інств сублімації є мала усадка вихідного продукту, що дозволяє хаті-гать їх руйнування і швидко восстанавли-вать сублімовані продукти, маю-щие пористу структуру, при обводнюванні.
Зараз через нестачу виробничих потужностей єдине російське підприємство з виробництва подібних товарів не може випускати весь можливий асортимент. В даний час акцент зроблений на буряках, капусті і моркви.
На рис. 1.2 показана принципова схема установки для дослідження сублімації сушіння продуктів харчування. Вона складається з камери сублімації 1, холодильної машини 2, камери десублімації 3, випарника холодильної машини 4 і вакуум - насоса 5. Використано класичний варіант конструкції, призначений для сушіння матеріалу в нерухомому шарі. Установка містить камеру сублімації, всередині якої розташовані нагрівачі
(Кварцові галогенні лампи) і піддон з шаром, що висушується. Пари сублімованої вологи конденсировались при виморожування в камері десублімації, в якій знаходиться випарник холодильної машини. Вакуум в системі підтримували вакуум - насосом.
Мал. 1.2. Принципова схема установки для дослідження сублімації сушіння
3) Кипіння - процес інтенсивного пароутворення на поверхні нагрівання при підводі теплоти. При 100 0 С і Р = 1 атм вода кипить і поглинає 2257 кДж / кг. r = 2257 кДж / кг є прихованою теплотою паротворення. Кипіння однорідного речовини відбувається при постійній температурі, що залежить від тиску. Зі зміною тиску змінюється і температура кипіння - зі зменшенням тиску, температура кипіння зменшується і навпаки.
Наприклад, при атмосферному тиску Р = 0,1 МПа температура кипіння фреону R22 дорівнює t = - 40,5 0 С, а при Р = 1,2 МПа температура кипіння становить t ≈ 24 0 С.
Залежність температури кипіння від тиску зображують кривою званій кривій пружності насиченої пари (пар, який знаходиться в рівновазі з рідиною). Криві пружності для аміаку (жирна лінія) і фреону R-22 (тонка лінія) представлені на рис.1.3.
Кипіння рідини при низькій температурі є одним з основних процесів в парокомпрессионних холодильних машинах. Киплячу рідину називають холодоагентом (наприклад, аміак), а апарат, де він кипить, забираючи тепло від охолоджуваного продукту - випарником.
4) Конденсація - процес переходу з парової в рідку фазу при виділенні теплоти. Використовується також в парокомпрессионних машинах в конденсаторах.
Штучне охолодження може бути засноване і на інших способах, таких як розширення газу з вчиненням роботи, дросселирование і термоелектричний ефект.
5) Розширення газу з вчиненням зовнішньої роботи. Якщо на шляху потоку газу, що рухається під впливом різниці тисків, поставити спеціальний пристрій, де потік газу буде обертати колесо (або штовхати поршень), то енергія потоку буде здійснювати зовнішню, корисну роботу. Після цього пристрою з пониженням тиску температура потоку газу знижується. Цей спосіб охолодження застосовується в повітряних і газових холодильних машинах для отримання температур від -50 до -100 0 С. На рис.1.4 б) показаний процес розширення газу з вчиненням зовнішньої роботи, Р1> Р2.
Мал. 1.4. а) процес дроселювання; б) процес розширення газу з вчиненням зовнішньої роботи
6) Дроселювання (ефект Джоуля - Томпсона). Полягає в падінні тиску і зниженні температури потоку рідини при його протіканні через звужене перетин під впливом різниці тисків. Потік рідини проходить дуже швидко звужене простір з великою швидкістю, в результаті чого зовнішня робота не відбувається, тому що робота проштовхування переходить в теплоту тертя між молекулами і не відбувається теплообміну з навколишнім середовищем. Це призводить до випаровування частини потоку рідини і зниження температури всього потоку. Процес відбувається в регулюючому вентилі або іншому дросельному механізмі (капілярної трубці) холодильної машини. Даний процес використовується в парокомпрессионних холодильних машинах. На рис.1.4 а) показаний процес дроселювання, де Рк - тиск конденсації, Рі - тиск кипіння холодоагенту, Рк> Рі.
7) Термоелектричний ефект (ефект Пелетье). Полягає в тому, що при пропущенні постійного струму через ланцюг, що складається з різних напівпровідників, один з контактів (спаїв) нагрівається, інший - охолоджується. На рис. 1.5. показаний термоелемент, що складається з двох різних напівпровідників. Вони послідовно з'єднуються металевими пластинами, які утворюють спаи. При проходженні постійного електричного струму один із спаїв охолоджується і має температуру Т х. а інший - нагрівається і має температуру Тг. До першого спаю підводять теплоту з навколишнього середовища Q0. а від другого - відводять Qг. Такий спосіб охолодження застосовують в охолоджуваних барах-холодильниках, транспортних холодильниках невеликої ємності, кондиціонерах спеціального призначення.
Мал. 1.5. Термічні елементи, що складається з різних напівпровідників.