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.
Охлаждение бывает естественным и искусственным.
Естественным
охлаждением называется теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой
— наружным воздухом и водой естественных водоемов. Однако при таком охлаждении
температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей
среды. Поскольку температура окружающей среды для большинства стран, в том числе
и Российской Федерации, зависит от времени года, то использование окружающей среды
в летний период для охлаждения пищевых продуктов не дает желаемых результатов.
Выйти из положения можно, если заготовить зимой лед и разместить его в ледниках
(погребах), тогда летом погреба можно использовать для охлаждения и хранения продуктов.
Для получения более низких температур применяют смесь льда с поваренной солью.
Однако лед или смесь льда с солью воспринимают тепло охлаждаемых продуктов, изменяют
свое агрегатное состояние и теряют охлаждающую способность. Поэтому таким способом
охлаждения можно пользоваться только кратковременно, так как запасы льда ограничены.
Учитывая большую трудоемкость, связанную с заготовкой водного льда, сложность
получения низких температур, высокое содержание микроорганизмов в водном льде
и другие факторы, естественное охлаждение заменяют искусственным. К искусственному
относится охлаждение эвтектическим и "сухим" льдом, а также с помощью кипящих
жидких газов и термоэлектричества. Достоинством искусственного охлаждения является
возможность поддержания заданного режима хранения в любое время года.
Охлаждение
с помощью холодильных машин называется машинным охлаждением.
Под
низкими температурами, как правило, 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:
Фазовый переход вещества. Фазовый переход некоторых веществ при плавлении,
кипении (испарении), сублимации происходит при низких температурах и с поглощением
значительного количества тепла.
Наиболее доступным веществом, применяемым
для получения низких температур, является водяной лед, который при атмосферном
давлении плавится при 0°С и имеет относительно большую удельную теплоту плавления
(335 кДж/кг). Более низкую температуру плавления получают, смешивая лед с некоторыми
солями.
Плавлением называют переход твердого тела в жидкое состояние
при определенной температуре. Скрытая теплота плавления, или просто теплота плавления,
— это количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при
постоянной температуре в жидкое состояние.
Сублимацией называется
переход тел из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. Теплотой
сублимации называется 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.
Кипением
называется процесс превращения жидкости в пар. Образование пара происходит
по всему объему жидкости.
Подобно тому, как температура льда в течение всего
периода его таяния остается неизменной, температура жидкости, нагретой до точки
кипения, также остается постоянной при неизменном давлении пока вся не выкипит.
Процесс
превращения жидкости, не достигшей точки кипения, в пар называется испарением.
Испарение происходит только с поверхности жидкости.
В холодильной технике
под испарением подразумевают также и кипение.
Процесс, обратный кипению,
называется конденсацией. Конденсация протекает при постоянной температуре
и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования. Температура конденсации
так же, как и температура кипения, зависит от давления. Давление и температура
всегда изменяются в одном направлении. Растет температура — увеличивается давление,
и наоборот.
Адиабатическое расширение газа. Процесс, протекающий
без теплообмена между рабочим телом (газом) и окружающей средой (стенками цилиндра),
называется адиабатным. Известно, что внутренняя энергия тела определяется
скоростью движения молекул и атомов. В нагретом теле скорость движения большая,
в менее нагретом — меньшая. Если сжатому газу в цилиндре предоставить возможность
расширяться, то газ будет совершать работу. Его молекулы, ударяясь о поверхность
поршня, будут отдавать часть кинетической энергии, а их скорость отскока от поверхности
поршня будет уменьшаться. Следовательно, работа в цилиндре осуществляется за счет
уменьшения кинетической энергии молекул газа. Температура газа при этом будет
понижаться. Учитывая, что процесс расширения газа происходит за доли секунды,
теплообмен между газом и стенками цилиндра принято считать равным нулю. Все быстро
протекающие процессы можно считать адиабатными. Если воздух, сжатый до 5 МПа при
температуре 27 °С, адиабатически расширить до давления 0,2 МПа, то его температура
понизится до -155°С.
Применяется в воздушных холодильных машинах.
Дросселирование
реального газа и жидкостей. Дросселированием называют процесс создания искусственного
сопротивления на пути движения газа или жидкости, который протекает без совершения
внешней работы и без теплообмена с окружающей средой.
Дросселирование
газа (эффект Джоуля-Томпсона) основано на резком снижении давления газа при
прохождении через суженное отверстие (вентиль, дроссель). При дросселировании
идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, температура
газа не изменяется. При дросселировании реального газа в результате изменения
внутренней энергии совершается работа по преодолению внутренних сил взаимодействия
молекул. Это приводит к изменению температуры газа: повышению или понижению в
зависимости от его первоначального состояния.
Дросселирование жидкостей.
Жидкость с определенным давлением и температурой дросселируется в область
низкого давления. Так как температура кипения жидкости зависит от давления, то
жидкость, имея определенную температуру и поступая в область низкого давления,
оказывается перегретой по отношению к низкому давлению. Происходит ее бурное кипение
с образованием сухого насыщенного пара. Тепло на испарение жидкости и образование
пара отбирается от самой жидкости. Жидкость при этом охлаждается. Температура
пара и оставшейся (не выкипевшей) жидкости достигает одного и того же значения
и зависит от давления, при котором они находятся.
Дросселирование жидкостей
осуществляется в терморегулирующем вентиле холодильных установок. В домашних холодильниках
дросселирование осуществляется в капиллярных трубках.
Термоэлектрическое
охлаждение. Возможность получения холода путем непосредственной затраты электрической
энергии было доказано в 1834 г. французским физиком Пельтье, который установил,
что при прохождении тока в замкнутой цепи, спаянной из двух разных металлов (термопары),
один спай нагревается, а другой охлаждается. Чтобы холодный спай постоянно имел
низкую температуру и был источником охлаждения, теплый спай необходимо охлаждать,
иначе теплота от него будет передаваться путем теплопроводности к холодному спаю.
В 1949 г., благодаря работам советских ученых во главе с академиком А. Ф. Иоффе,
термоэлектрическое охлаждение стали применять в технике.
Если термоэлементы
последовательно соединить в батарею, то верхняя поверхность такой батареи будет
холодной, а нижняя — горячей. Разместив верхнюю поверхность батареи в герметичном
объеме (шкафу), воздух в шкафу будет охлаждаться, а теплота, выводимая из шкафа,
будет передаваться в окружающий воздух через нижнюю поверхность батареи.
