Химия и Химики № 3 2012. Опыты с трубкой Фарадея (получение сжиженных газов)

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Получение жидкого аммиака. Модель абсорбционного холодильника
Компрессионный холодильник

Как мы уже говорили (см. ч.1), трубка Фарадея может быть с легкостью использована для получения жидкого аммиака, причем в качестве источника аммиака Фарадей взял комплекс аммиака с хлоридом серебра. Однако трубку Фарадея можно также использовать для создания простой модели аммиачного абсорбционного холодильника.

Для начала рассмотрим принцип действия обычной (компрессионной) холодильной машины. Данная машина предназначена, чтобы отнимать тепло у холодного тела и передавать его более нагретому телу. Разумеется, второй закон термодинамики при этом не нарушается, поскольку упомянутый процесс требует подвода энергии извне (вспомните, что обычный бытовой холодильник потребляет электроэнергию).

Принцип работы компрессионного холодильника можно понять из рисунка. Газообразный хладагент: аммиак, фреоны, углекислый газ сжимается компрессором 4 и переходит в жидкое состояние. Хладагент при этом нагревается и отдает свое тепло во внешнюю среду (работающий холодильник нагревает помещение, в котором находится; если прикоснуться к трубкам, расположенным сзади холодильников старых типов, вы почувствуете тепло).

Далее жидкий (и остывший) хладагент попадает через узкую трубку (капилляр - 2) в зону с пониженным давлением (испаритель -3), при этом он испаряется, охлаждается и отнимает тепло от предметов в рабочей камере. Далее хладагент снова засасывается в компрессор, где сжимается, конденсируется, нагревается т.д.

Абсорбционный холодильник

Аммиачный абсорбционный холодильник имеет несколько другую конструкцию. Охлаждение рабочей камеры также осуществляется за счет испарения жидкого аммиака, однако циркуляция хладагента в системе происходит не благодаря компрессору. В абсорбционном холодильнике движение хладагента осуществляется за счет растворения аммиака в воде с последующим его испарением из раствора, разделением аммиака и воды (в дефлегматоре или ректификационной колоне), конденсацией и охлаждением жидкого аммиака. Кроме аммиака в абсорбционных холодильниках могут использоваться и другие хладагенты. Такие холодильники могут работать без движущихся частей, однако они имеют ряд недостатков: быстрая коррозия труб, чувствительность к положению в пространстве, недолговечность и более низкие показатели производительности на единицу объема. Схема абсорбционного холодильника приведена на рисунке (Википедия).

Абсорбционные водоаммиачные холодильные машины (АВХМ) устанавливают вне помещений на многоярусной металлической или железобетонной "этажерке". Последовательно расположенные на разных ярусах цилиндрические емкости образуют ректификационную колонну TS. Из генератора AT насыщенный пар аммиака с большим содержанием воды поступает в ректификационную колонну. Выход 7 колонны TS соединен с конденсатором V. Содержание воды в аммиаке на выходе из колонны составляет всего лишь 0.2%. Отделенная в ректификационной колонне вода по трубопроводу 8 возвращается в генератор AT. Охлажденный в конденсаторе V жидкий аммиак скапливается в накопителе HS и по необходимости расходуется для охлаждения контура теплоносителя 1-2 через теплообменник WT3. Забрав тепло, аммиак перекипает, и в газовой фазе поступает в абсорбер AB. Процесс абсорбции связан со значительным выделением тепла. Абсорбер и подаваемый абсорбент (через теплообменник WT2) охлаждаются контуром охлаждения 9. Насыщенный раствор аммиака в воде по магистрали 6, дополнительно подогреваясь в теплообменнике WT1 возвращается в генератор AT.

Получение жидкого аммиака

Мы попробовали создать модель абсорбционного холодильника, запаяв в обрезанную 25 мл пипетку около 15 мл раствора аммиака (чистота - ч.д.а.). Были большие опасения, что при нагреве резервуара пипетку разорвет, однако трубка выдержала, причем в двух случаях из трех мы нагревали ее непосредственно в пламени. В ходе опыта из-за контакта с пламенем треснул стеклянный экран (неосторожность экспериментатора). Однако в холодном колене конденсировался жидкий аммиак - и это главное.

При охлаждении резервуара (расширение пипетки) в стакане с холодной водой на колене с жидким аммиаком образовался иней.

Смотреть Видео (8 Мб, .avi)

Конденсат, который собрался в холодном колене, испаряется легко и без остатка - значит он представляет собой жидкий аммиак без заметной примеси воды.

Модель абсорбционного холодильника

Пришло время изготовить модель абсорбционного холодильника. Для начала мы получили около 1 мл жидкого аммиака. Стекло трубки выдерживало, хотя ее нагревали уже 5 или 6 раз. Пользуйтесь защитными очками и защитным экраном - взрыв трубки вполне вероятен. Греть нужно на небольшом пламени, чтобы кипение раствора было совсем слабым. Аммиак (с примесью воды) испаряется из раствора, конденсируется и стекает в холодное колено, которое периодически охлаждали водой со снегом.

Предварительно была сделана "морозильная камера" из пенопласта. Для контроля температуры в нее вставили уличный термометр. Трубку с аммиаком поместили в "морозилку", противоположное колено трубки (резервуар с раствором) служило для поглощения паров аммиака.

Сразу охлаждать резервуар ледяной водой мы не стали, вначале налили в стакан с резервуаром теплую воду, выждали некоторое время и только потом налили воду со снегом. Периодически встряхивали резервуар.

В морозильной камере удалось получить весьма скромную температуру - минус 4°С, однако аммиака было совсем немного (а охлаждающая поверхность - небольшой).

В конце эксперимента извлекли холодное колено с остатком аммиака. В принципе, опыт весьма нагляден: колено покрывается инеем. Если резервуар с раствором встряхивать, иней образуется быстро.