Теплофизические свойства диоксида углерода.

Сухой лед - это твердая углекислота. Применяют его в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, научных лабораториях, медицине и т.д.

В торговле и общественном питании его используют главным образом в качестве охлаждающего средства при хранении, транспортировании, продаже мороженого и замороженных продуктов.

По внешнему виду и твердости сухой лед промышленного изготовления похож на мел. Плотность его около 1,4-1,5 кг/л. На открытом воздухе сухой лед интенсивно сублимирует, имея при 0,098 МПа температуру сублимации, равную -78,9°С. При сублимации выделяется газообразная углекислота, которая в этих условиях примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха.

Холодопроизводительность сухого льда складывается из теплоты сублимации и охлаждающего действия образующейся газообразной углекислоты. Теплота сублимации при атмосферном давлении равна 575 кДж/кг, а охлаждающее действие газа зависит от температуры, при которой происходит охлаждение. При 0°С общая холодопроизводительность 1 кг сухого льда составляет 575+63=638 кДж (63 - охлаждающее действие газообразной углекислоты в кДж/кг при нагревании ее от температуры сублимации до 0°С).

По сравнению с водным льдом сухой лед при 0°С обладает почти вдвое большей массовой холодопроизводительностью. Еще эффективнее соотношение при сравнении не массовой, а объемной холодопроизводительности. Объемная холодопроизводительность сухого льда при 0°С больше, чем водного льда, почти в три раза.

При использовании сухого льда вместо водного объем пространства для охладителя можно значительно уменьшить.

Сухой лед как охладитель кроме повышенной холодопроизводительности и низкой температуры сублимации, по сравнению с водным льдом, обладает другими не менее важными преимуществами.

Особенно ценное свойство сухого льда - отсутствие жидкой фазы при охлаждении им. Больше того, обильно выделяющаяся при сублимации сухого льда газообразная углекислота благоприятно влияет на скоропортящиеся продукты, оказывая на большинство из них консервирующее действие. К тому же, выходя в пространство, где хранятся продукты, газообразная углекислота частично вытесняет воздух, благодаря чему исключается возможность застоя его, что почти всегда наблюдается при охлаждении водным льдом.

Диаграмма фазовых состояний углекислоты приведена на рис. Участок 1 диаграммы является областью твердой фазы, участок 2 - областью жидкости, участок 3 - газовой областью (переrретого пара). Поrраничные линии между этими агрегатными состояниями представляют собой совокупность точек, в которых могут находиться в термодинамическом равновееии какие-либо две фазы: твердое тело и пар (кривая АВ), жидкость и пар (кривая ВС) или жидкость и твердое тело (кривая BD).

Кривая АВ характеризует давление насыщенных паров твердой углекислоты. Из диаrраммы видно, что при давлениях ниже 517 кПа (или температурах инже -56,6 ⁰С) уrлекислота может находиться лишь в твердой н газообразной фазах. Следовательно, только при этих давлениях возможна сублимация твердой углекислоты. Температура сублимации является функцией давления.

Кривая ВС характеризует давление насыщенных паров жидкой углекислоты (сверху эта кривая оrраничена крнтической точкой С с параметрами Р_кр = 7346 кПа н t_кр == 31°С), кривая BD - плавленине (затвердение) уrлекислоты.

В точке В пересекаются три кривые равновесных состояний уrлекислоты. Эта точка характеризует такое состояние уrлекислоты, при котором в термодинамическом равновесии иаходятся одновременно три фазы. Пара метрами этой точки, называемой тройной точкой, являются давление Р == 517 кПа и температура t == - 56,6 ⁰С. При давлениях выше 702 кПа и подводе теплоты твердая углекислота, как и водный лед, последовательно переходит в жидкую, а из жидкой в газообразную фазу. При давлениях ниже 517 кПа жидкой фазы ууглекислоты не существует.

Сведения о термодинамических свойствах углекислоты, таких, как i и s, содержатся в р - i - и Т ­ s-диаrраммах. Однако эти диаrраммы не позволяют судить о количественном соотношении фаз в тройной точке, а следовательно, не дают возможности определить энтальпию или энтропию трехфазной смеси.

В этом случае требуются дополнительные расчеты. Так, для определения энтальпии трехфазной смеси пользуются уравнениями

i’×x = i”×y + i’”×z = i,

x + y + z = 1,

где i’, i”, i’” – энтальпия соответственно жидкой, газообразной и твердой фаз; x, y, z – массовые доли этих фаз.

Холодопроизводительность 1 кгr углекислоты равна разности энтальпии парообразной углекислоты, имеющей давление и температуру охлаждаемой среды, и твердой углекислоты. Теплота плавления (или замерзания) углекислоты в тройной точке равна разности энтальпий жидкой и твердой углекислоты при давлении 517 кПа. Значение теплоты плавления в тройной точке составляет 195,7 кДж/кг. При давлениях выше 517 кПа и температурах выше -56,6 ^ос теплота плавления практически мало отличается от теплоты плавления в тройной точке.

Удельную теплоемкость твердой углекислоты [в кДж/(кг×К) в диапазоне температур от 57 ^оС до -110 ^оС определяют по уравнению с = 1,67 - 0,0118×Т -­ 0,0000523×Т².

Теплопроводность ее при r = 1,4 кг/ дм³ составляет около 0,384 Вт/ (м×К).

Сухой лед получают в результате отвода теплоты от жидкой углекислоты.

По исходному сырью, используемому для выработки cyxoгo льда и сжиженной углекислоты, цехи подразделяются на 2 группы: группу А, работающую на базе использования бросовых газов химикатов, нефтеперерабатывающих, мыловаренных, гидролизных и спиртовых заводов; и группу В, работающую на базе специального сжигания топлива (в том числе, при известковообжигательных печах, при домнах, при ТЭЦ).

Лучшим сырьем для заводов сухого льда является углекислота спиртового брожения (почти 100% -ный углекислый газ). За ней идут экспанзерные газы заводов синтетического аммиака (до 88% углекислоты), углекислота метанового брожения и дымовые газы известковообжигательных печей. Последнее место по качеству исходного сырья и первое по его количеству занимает углекислота дымовых газов (10 - 16% углекислоты).