Mövzu 1: Giriş. Süni soyutmanın termodinamiki əsasları Fənn müəllimi: dos. Q. M. Allahverdiyeva

Fənn: Qida məhsullarının soyudulması texnologiyası

1. Giriş

3. Cismin hal parametrləri

4. Cismin faz dəyişiklikləri

5. Əks dairəvi proses

Ərzaq məhsullarının uzun müddət saxlanması və müxtəlif növ ərzaqların istehsalında soyutmadan istifadə olunur. Bir çox məhsulların özünün keyfiyyət göstəricilərinin müddətli saxlanması adi soyuq şəraitdə mümkün olmur, çünki ayrı-ayrı məhsulların özlərinin saxlanma temperaturları vardır. Həmin temperaturları isə adi şəraitdə almaq mümkün olmur. Ona görə də belə temperaturlar soyuducular vasitəsilə yerinə yetirilir.

İlk məişət soyuducusunun nümunəsi buzu hazırlamaq üçün (1 kq/saat) nəzərdə tutulan və1860-cı ildə fransız mühəndisi F. Karre tərəfindən təklif olunan aparat hesab edilə bilər. 1862-ci ildə Ümumdünya London sərgisində F.Karre buz istehsalı üçün həmin aparatın işinə analoji olan yüksək məhsuldarlıqlı maşın nümayiş etdirmişdir. Maşın maye ammonyak üçün daxilində çən quraşdırılmış kiçik soba şəklində idi. Ammonyak qızdırılma nəticəsində buxarlanaraq boru ilə soyuducu çənə daxil olur. Buxarlanaraq soyutma nəticəsində çəni əhatə edən su donaraq buz əmələ gətirirdi.

Müasir məişət soyuducusu texnikasının yaranmasına ilk təkan verən 1874-cü ildə Münhenli alim K.Linde tərəfindən işlənmiş soyuducu maşın olmuşdur. Onun hazırladığı ilk soyuducu maşın metil efiri ilə işləmiş və Münhendə pivə zavodunda sınaqdan keçirilmişdir. Ammonyakla işləyən ikinci maşın isə 1874-cü ildə hazırlanmışdır.

İlk məişət tipli kompressorlu soyuducu 1910-cu ildə ABŞ-da yarandı. Bir il keçəndən sonra ’’General Electrik’’ amerika firması ’’Odifren’’ adlı soyuducu maşınların istehsalına başladı. Fransız fizika müəllimi Marsel Odifren tərəfindən 1894-cü ildə yaradılan ’’Odifren’’ maşını ilk avtomatik soyuducu maşın oldu.

Kopeland tərəfindən layihələndirilən, kamerasında temperaturu avtomatik nizamlanan ilk məişət soyuducusu ABŞ-da 1918-ci ildə hazırlanmışdı. Burada soyuducu agent kimi kükürd anhidridindən və ya ammonyakdan istifadə olunmuşdur. Kompressor elektrik mühərrikindən qayış ötürməsi vasitəsilə hərəkətə gətirilirdi.

Avropada soyuducu istehsalının inkişafı ABŞ-a nisbətən zəif idi. Belə ki, 1936-cı ildə Almaniyada 40 min kompressorlu soyuducu istehsal olunduğu halda ABŞ-da bu rəqəm 2 mln. idi.

İlk yapon soyuducusu 1926-cı ildə, keçmiş SSRİ-də isə ilk ХТЗ-120 soyuducuları 1937-ci ildə Xarkov traktor zavodunda (ХТЗ) hazırlanmışdır.

Hal – hazırda buraxılan soyuducuların 90 %-i kompressorlu tiplidir. Absorbsiyalı soyuducular qənaətcil olmadığından onların istehsalı azalmışdır.

Termoelektriki soyuducular da geniş yayılmışdır, çünki kompressorlu soyuducularla müqayisədə onların enerji sərfi dörd dəfə çoxdur. Onlar yalnız kiçik avtomobil soyuducularında (həcmi 10…20 dm³) istifadə olunur (burada alçaqgərginlikli sabit cərəyandan istifadə edilir).

Əhalinin tələbatına uyğun soyuducuların inkişaf tendensiyası onların faydalı həcminin artmasıdır. Əgər 1968 –ci ildə satılan soyuducuların yalnız 6,3 %-nin həcmi 200 dm³ idisə, 1988 –ci ildə bu rəqəm 68 % -ə kimi artmışdır.

Məişət soyuducularının istehsalının digər tendensiyası – dondurulmuş məhsulların saxlanma bölməsinin həcminin artması və orada temperaturun -10…-12C-dən -18…-24C kimi azalmasıdır.

Son zamanlar zavodlar iki kameralı soyuducular istehsal edirlər ki, burada aşağı temperatur bölməsi kamera şəklində hazırlanır və ayrıca qapı ilə örtülür. Əgər adi modellərdə aşağı temperaturlu bölmənin (dondurucunun) həcmi ümumi həcmin 12…15 %-ni təşkil edirsə, iki kameralılarda bu 30…40 % təşkil edir. Üç kameralı soyuducuların istehsalı da artmışdır. Bu soyuducular yüksək temperaturlu (10…23C), aşağı temperaturlu (-6…-24C) və universal (+10…-12C) bölmələrdən ibarətdir.

Hazırda istehsal olunan soyuducular komfort elementləri ilə təchiz edilmişdir: şəffaf rəflər, kameraların bölmələrinin şəffaf qapıları, pis iylərin qarşısını almaq üçün dezodorantlar, kompüterlə idarəetmə və s.

İstənilən qızdırılmış cismi təbii yolla onu əhatə edən ətraf mühitin temperaturuna qədər soyutmaq olar. Soyutmaq üçün təbii üsullara: ətraf mühitin havası, çay və dəniz suları və torpaq daxildir.

Cismin temperaturunu ətraf mühitin temperaturundan daha çox soyutmaq üçün ancaq süni soyutmadan istifadə olunur.

Süni soyutma – temperaturu ətraf mühitin temperaturundan aşağı olan cisimlərdən istiliyin alınması prosesinə deyilir. Tez xarab olan məhsulları saxlamaq üçün süni soyutmadan istifadə olunur.

Süni soyutmanın prinsipal sxemi şəkil 1.1-də göstərilmişdir. Soyutma prosesi hər hansı bir işçi maddə (soyuducu agent) vasitəsilə yerinə yetirilir. Soyuducu qurğuda 1 olan işçi maddə temperaturu T₀ olan soyudulacaq mühitdən Q₀ istiliyi alır. Bu zaman işçi maddə bir aqreqat halından digərinə keçərək çox miqdarda istilik qəbul edir. 1 kq işçi maddənin qəbul etdiyi istilik miqdarı xüsusi soyutma məhsuldarlığı adlanır.

Soyutmanın ən sadə üsullarından biri buzla soyutmadır. Buzu soyudulan mühitə daxil etdikdə mühitin istisi buza verilir. Mühitin temperaturu aşağı düşür, buz tədricən əriyir. Bu halda soyutma üçün buzun 335 kCoul/kq-a (80 kkal/kq) bərabər olan gizli ərimə istiliyi istifadə olunur. Su buzundan soyutma üçün istifadə etdikdə alınan ən aşağı temperatur onun ərimə (0C) məhdud temperaturudur.

Soyuducu qarışıqlarla soyutma üsulunda 0C-dən aşağı temperaturlar almaq mümkündür. Bu üsul 1774-cü ildə M.V.Lomonosov tərəfindən qeyd edilmişdir. Buzlu-duzlu soyutmada, məhluldan duzun qarışma istiliyindən başqa, buzun gizli ərimə istiliyi də ayrılır. Bunun nəticəsində soyudan məhlulun temperaturu aşağı düşür (şək.1.2).

Buz-duz qarışığının ərimə temperaturu duzun növündən və onun məhlulun tərkibindəki miqdarından asılıdır. Təcrübədə adətən buzla texniki xörək duzunun qarışığından istifadə edilir. Məhlulun (maye) qatılığı lazım olan temperaturdan asılı olaraq qəbul edilir. Qatılıq artdıqca məhlulun ərimə temperaturu müəyyən həddə qədər azalır, sonra yenə artır. Ən aşağı ərimə temperaturu (-21,2C) qatılıq 23,1 % olduqda əldə olunur. Bu temperatur kriohidrat temperaturu adlanır.

Kalsium xlorlu buz məhlulunun qatılığı 29,9 % olduqda onun kriohidrat temperaturu -55C-yə bərabər olur. 1 kq buz-duz məhlulunun soyutma məhsuldarlığı 1 kq təmiz buzun xüsusi soyutma məhsuldarlığından aşağıdır.

Şək. 1.1. Süni soyutmanın sxemi:

1– soyuducu qurğu

Şək. 1.2. Buz-duz məhlulunun ərimə temperaturunun məhsulun qatılığından (buz+NaCl) asılılığı: K-kriohidrat nöqtəsi

Qatılığı kriohidrat nöqtəsinə təvafüq edən duzlu su məhlulu evtektik adlanır. Onların donması zamanı kriohidrat temperaturuna bərabər, aşağı ərimə temperaturuna malik olan eynicins tərkibli buz əmələ gəlir.

Cədvəl 1.1-də evtektik məhlulların bəzi fiziki xassələri göstərilmişdir. Cədvəldən göründüyü kimi evtektiklərin ərimə temperaturu 0C-dən aşağıdır və müqayisədə gizli ərimə istiliyi adi su buzunun temperaturundan azdır.

Cədvəl 1.1

Quru buzla soyutmada (bərk karbon) aşağı temperaturu almaq mümkündür. Bərk karbonu karbon qazından alırlar.

Atmosfer təzyiqi altında bərk karbon soyudulacaq mühitin istiliyini qəbul edərək sublimasiya edir, yəni bərk haldan qaz halına keçir. Yaranan buxarın temperaturu -78,9C olduqda sublimasiya istiliyi 574 kCoul/kq (137 kkal/kq) olur.

Soyuducu maşınlar soyuqluğu uzun müddət istehsal edə bilirlər. Eyni işçi maddə maşında dövr edərək dövrü proses yerinə yetirir. Maşınla soyutma proseslərində müxtəlif işçi cisimlərin aşağı temperaturlarında qaynayan tərkiblərdən istifadə olunur. Belə tərkiblər ammonyak, freonlar, karbon, kükürd anhidridinə və bir çox maddələrə malikdirlər.

Aşağı temperaturun alınması üçün qazların sıxılmasının drossellənməsinə (sürətlənməsinə) əsaslanan soyuducu tsikllərdən istifadə edilir.

Drossellənmə prosesi kanalın qəfildən sıxılması halında baş verir və bu, qazın təzyiqinin azalması ilə müşahidə olunur. İdeal qazlardan fərqli olaraq drossellənmə zamanı real qazların temperaturu dəyişir. Drossellənmə zamanı real qazların temperaturunun dəyişmə halı drossellənmə effekti və ya Coul – Tomson effekti adlanır.

Demək olar ki, bütün qazlar drosselənmə zamanı adi temperatur şəraitində soyudulur, çünki onların inversiya temperaturu yüksəkdir (800K-dan yuxarı). İstisna olaraq hidrogen T_i=200K və helium T_i=30K təşkil edir.

Burulğanlı soyutma effekti sadə quruluşlu boruda – burulğanlı boruda, onu ixtira edən Rankanın adı ilə bağlı olan Ranka borusunda və ya burulğanlı soyuducularda yerinə yetirilir.

Burulğanlı boru deşikli diafraqma ilə iki hissəyə bölünmüş silindrik borudur (şək.1.3).



Şək. 1.3. Burulğanlı boru:

1- boru; 2- diafraqma; 3- ucluq; 4- drossel ventili

Diafraqmanın yanında borunun daxili səthinə nəzərən tangensial yerləşən sıxılmış havanın verilməsi üçün ucluq (soplo) yerləşir. Borunun diafraqmasının sağ tərəfində yerləşən hissəsi sərbəst çıxış, yəni soyuq hissə, drossel ventili olan sol hissə isə – qaynar hissə adlanır.

Təcrübə göstərir ki, burulğanlı boru ətraf mühit temperaturu ilə əhatə olunan ucluğa daxil olan sıxılmış qazı iki müxtəlif temperaturlu qaz axınına ayırmağa imkan verir. Bu halda T_s temperaturu olan soyuq hava diafraqmanın yarığından və sonra borunun soyuq hissəsindən keçir, T_q temperaturu olan qaynar hava isə əks tərəfdən, yəni drossel ventilindən keçir.

Burulğanlı soyuducunun işi zamanı başlanğıc parametrləri 20C temperaturlu və 0,5 MN/m² təzyiqli quru havadan istifadə etdikdə soyuq axının temperaturu -50C; havanın təzyiqi 0,7–0,8 MN/m² olduqda isə daha aşağı temperaturu -70C olan hava axınını almaq olur.

Soyuduculuq texnikasında termoelektrik soyutmadan da istifadə edilməsi perspektivli olub, daha çox təcrübi əhəmiyyət kəsb edir.

İki müxtəlif naqillərdən hazırlanan qapalı elektrik dövrəsində, yəni termoelementdə qaynaq (kontaktlar) yerləri müxtəlif temperaturda olduqda termo-elektrohərəkətedici qüvvə yaranır (şək.1.4). Bu hadisə ilk dəfə Zeebek (1821-ci il) tərəfindən öyrənilmiş və termoelektrik adlandırılmışdır.



Şək. 1.4. İki müxtəlif naqillərdən hazırlanan elektrik dövrəsi:

1 və 2 – termocüt budaqları

Peltye 1834-cü ildə müəyyən etmişdir ki, iki müxtəlif naqillərdən ibarət olan dövrəsindən elektrik cərəyanı buraxdıqda naqillərin birləşdiyi (qaynaq edilmiş) hissələrinin biri isinir, o biri isə soyuyur. Belə halda sistem, elektrik cərəyanı enerjisini soyuq birləşmədən istiyə keçirən soyuducu aqreqat kimi qəbul edilir.

Qaynaqla udulan və ya ayrılan istiliyin miqdarı cərəyan şiddətinin J zamana  hasili ilə düz mütənasibdir: Q_п=ПJ.

Hal – hazırda maşınlı soyutmada kompressorlu və absorsiyalı soyuducu maşınlar ən çox təcrübi əhəmiyyət kəsb edir.

Cismin istilik halı onun temperaturu ilə xarakterizə edilir. Temperaturu ölçmək üçün müxtəlif şkalalardan istifadə edilir: termodinamiki dərəcə Kelvinlə (T,K) və beynəlxalq – dərəcə Selsiya (t,C). Termodinamiki temperatur şkalasında suyun donma temperaturundan 273,15 K aşağı temperatur mütləq sıfır qəbul edilir. Reper nöqtəsi kimi suyun üçlük nöqtəsinin temperaturu onun kristallik, maye və buxar fazalarının tarazlıq halını xarakterizə etməklə, bu nöqtə buzun ərimə nöqtələrindən daha dəqiq təyin edilir.

Selsi və Kelvin temperaturları arasındakı asılılıq aşağıdakıdır:

T=t+273,15^oC

Bundan başqa Farenqeyt şkalasından da istifadə olunur. Burada hesablama başlanğıcı 0F selsiya şkalasında – 18C-yə bərabərdir, 0C buzun ərimə temperaturu 32F-ə müvafiq edir, suyun qaynama temperaturu isə – 212F-dir. Beləliklə, 1C=1,8F.

Bir şkaladan o birinə keçmək üçün aşağıdakı düsturlardan istifadə edilir:

t ^oC=T,K-273,15^oC=5/9^oF-32;

T,K =t ^oC+273,15^oC=5/9^oF+255,37.

Səthə təsir edən təzyiq qüvvəsinin həmin səthin sahəsinə nisbəti işçi cismin təzyiqini xarakterizə edir. Beynəlxalq vahidlər sistemində (Sİ) təzyiq vahidi kimi Paskal qəbul edilir: 1Pa=1N/m². Bundan başqa sistemdə kənar vahidlərdən də istifadə edilir: texniki atmosfer ( 1 at=1 kqq/sm² ), fiziki atmosfer (1 atm=1,033 kqq/sm²).

Ətraf mühitin təzyiqindən çox olan təzyiq izafi və ya manometrik adlanır. Atmosfer təzyiqindən aşağı təzyiq boşalma və ya vakuum adlanır. Manometrik təzyiqi ölçmək üçün manometrlərdən, boşalmanı ölçmək üçün – manovakuummetrlərdən və ya vakuummetrlərdən istifadə edilir.

Mütləq təzyiq monometrik və atmosfer təzyiqinin cəminə bərabərdir. Bu vahidlər arasındakı uyğunluq aşağıdakı kimidir:

Xüsusi həcm (, m³/kq) maddənin həcminin onun kütləsinə olan nisbətinə bərabərdir, sıxlıq (, kq/m³) isə maddənin kütləsinin onun həcminə nisbətidir.

Sİ sistemində istilik miqdarı Coulla (Coul) ölçülür və 1 m məsafədə 1 N qüvvənin işini ifadə edir. Sistemdən kənar istilik vahidi – kalori: 1Coul=1Hm; 1kkal=4186Coul.

İşin zamana nisbətinə güc deyilir:

burada L – işdir, Coul;

- zaman, san.

Güc vahidi kimi vatt (Vt) qəbul edilir: 1Vt=1Coul/san. 1 kq cismin 1 K temperatura qədər qızdırılması və ya soyudulması üçün sərf edilən istilik miqdarı xüsusi istilik tutumu c adlanır və Coul/(kqK) ilə ölçülür. Xüsusi istilik tutumu temperaturun 1K-ə qədər dəyişməsi zamanı maddənin entalpiyasının dəyişməsini göstərir. Entalpiya işçi cismin tam enerjisinə deyilir.

Hər bir maddə xarici şəraitlərdən – temperatur və təzyiqdən – asılı olaraq bərk, maye və qaz hallarında ola bilər. İstiliyin verilməsi və ya alınması nəticəsində molekullar arasındakı əlaqə formasının dəyişməsi maddənin dəyişməsinə səbəb olur, yəni faza dəyişikliyi baş verir. Soyuqluğun alınması üçün soyudulan mühitdən istiliyin udulması ilə aşağı temperaturda baş verən faz dəyişikliklərindən istifadə olunur. Bunlara ərimə, qaynama və sublimasiya aiddir.

Sabit ərimə temperaturunda mayenin bərk hala keçmə prosesi bərkimə adlanır. Bu proses mayedən istilik alındıqda, yəni mayenin temperaturu bərkimə temperaturuna kimi azaldıqda baş verir.

Duzlu məhlulların ərimə temperaturları bir qədər aşağıdır, məsələn, buzlu NaCl məhlulu – 21,2C temperaturun alınmasına imkan verir (duzun kütlə payı 23,1 % olduqda).

Buxarlanma. Müxtəlif temperaturlarda mayenin səthində baş verən buxarın əmələ gəlməsinə buxarlanma prosesi deyilir. Bu prosesdən su soyuducu qurğularında suyun buxarlanması üçün istifadə edilir (qradirni, püskürücü hovuzlar və ya buxarlandırıcı kondensatorlar). Atmosfer təzyiqində və 0C temperaturda suyun gizli buxarlanma istiliyi r 2509 kCoul/kq təşkil edir.

Qaynama. Ətraf mühitin istiliyinin udulması nəticəsində mayenin bütün həcmi boyu baş verən intensiv buxarlanma prosesinə qaynama deyilir. Sabit təzyiqdə hər bir maddənin qaynama temperaturu sabitdir və mayenin üzərindəki buxarın təzyiqindən asılıdır. Təzyiqin azalması mayenin temperaturunun azalmasına hətta donmasına səbəb olur. Mayenin aşağı temperaturda qaynama prosesi – soyuducu agent qaynayan buxar kompressorlu soyuducu maşınların əsas proseslərindən biridir. Qaynama baş verən aparat buxarlandırıcı adlanır. Buxarlandırıcıda ətraf mühitdən istiliyin alınması baş verir, qaynayan maye isə buxar halına keçir.

Qaynama temperaturunda götürülmüş 1kq mayenin buxara çevrilməsi üçün istilik miqdarı gizli buxarlanma istiliyi r və ya xüsusi buxarlanma istiliyi adlanır. Mayenin qaynama təzyiqi artdıqca onun gizli buxarlanma istiliyi azalır.

Məlumdur ki, işçi maddələr maşınlarda dairəvi proses (tsikl) yaradır. Bunlar düzünə və əksinə tsikllərə bölünür.

Müxtəlif tipli istilik mühərrikləri düzünə tsikl prinsipində işləyirlər. Bunlar yuxarı temperatur səviyyəsindən aşağı temperatur səviyyəsinə istiliyin keçirilməsi hesabına mexaniki enerji (buxar maşınları, daxiliyanma mühərrikləri, reaktiv mühərriklər) yaradır.

Soyuducu maşınlar və istilik nasosları əksinə tsikl prinsipi ilə işləyir. Burada istilik aşağı temperaturdan yuxarı temperatur səviyyəsinə ötürülür. Şəkil 1.6-da soyuducu maşının prinsipial sxemi verilimişdir.

Aşağı temperaturda T_o işçi maddə soyudulan cisimdən istiliyi q₀ alaraq temperaturu yüksək olan T xarici mühitə verir. Bu zaman soyuducu maşında dövr edən işçi maddə əks dairəvi proses – soyutma tsikli yerinə yetirir. Bu prosesi yerinə yetirmək üçün l işi sərf olunur ki, həmin iş istilik kimi işçi maddə ilə qəbul edilərək q₀ istiliyi kimi ətraf mühitə verilir.