Физические основы получения низких температур

Для получения температур ниже температуры окружающей среды в холодильной технике используются:

· Эффект охлаждения за счет фазовых превращений;

· Дросселирование (эффект Джоуля–Томпсона);

· Расширение с получением внешней работы;

· Вихревой эффект (эффект Ранка–Хильша);

· Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье);

· Магнитоэлектрический эффект;

· Десорбция газов.

Охлаждение за счет фазовых превращений:

при достижении твердым телом температуры плавления дальнейшего повышения его температуры не происходит, а подводимая (или отводимая) теплота тратится на изменение агрегатного состояния – превращение твердого тела в жидкость (при отводе теплоты – наоборот).

Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды. Т.е. одним из способов искусственного охлаждения является отвод теплоты за счет плавления вещества в твердом состоянии при низкой температуре.

При плавлении чистого льда температуру охлаждаемого вещества можно понизить до 0 ºС. Для достижения более низких температур используют льдосоляные смеси. В этом случае температура и скрытая теплота плавления зависят от вида соли и процентного содержания ее в смеси.

При 22,4% содержании в смеси хлорида натрия температура плавления смеси –21,2 ºС.

При 29,9% содержании в смеси хлорида кальция температура плавления смеси –50 ºС.

Сублимация – переход вещества из твердого состояния в газ, минуя жидкую фазу, с поглощением теплоты. Сухой лед из двуокиси углерода при атмосферном давлении переходит в парообразное состояние при температуре –78,9 ºС. При этом активно отбирает теплоту от охлаждаемого вещества.

Испарение – процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости. Его физическая природа объясняется вылетом молекул с большой скоростью и кинетической энергией теплового движения из поверхностного слоя. Жидкость при этом охлаждается.

Этот эффект используется в градирнях.

Кипение – процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева за счет поглощения теплоты. Кипение жидкости при низкой температуре является одним из основных процессов в парокомпрессионных ХМ.

Дросселирование (эффект Джоуля–Томпсона):

Дросселирование – эффект падения давления рабочего вещества в процессе протекания его через сужение в канале. Физически падение давления в процессе дросселирования обусловлено диссипацией (рассеянием, переходом энергии в теплоту) энергии потока, расходуемой на преодоление местного сопротивления (диафрагмы, вентиля, пористой среды, капилляра).

Процесс расширения с получением внешней работы:

При расширении рабочего вещества от давления р1 до давления р2 можно получить работу, если этот процесс происходит в расширительном цилиндре – детандере. В этом случае работа совершается за счет изменения энтальпии расширяющегося рабочего веществав центробежных или осевых детандерах.

При расшерении с совершением внешней работы процесс осуществляется без потерь и без теплообмена с ОС, при этом энтропия рабочего вещества не меняется. Работа, совершаемая веществом при расширении в виде теплоты отводится из системы. Так как эта работа совершается за счет энергии рабочего вещества, то его температура в процессе расширения всегда понижается.

Вихревой эффект:

В 1933 г. Ранк экспериментально установил различие в температурах потоков воздуха, движущихся у оси и на периферии циклона – пылеуловителя. Это открытие нашло подтверждение в работах Хильша в 1946 г.

Принцип работы состоит в том, что сжатый газ подводится при температуре окружающей среды в цилиндрическую трубу III через сопло II по касательной к внутренней поверхности трубы. Поступающий в трубу газ совершает вращательное движение, одновременно перемещаясь от сопла I к дросселю II, причем через диафрагму IV (или трубу меньшего диаметра) выходит холодный воздух, а через дроссель II по периферии трубы – горячий. При давлении газа 0,3…0,5 МПа температура холодного газа на 30…70 ºС ниже начальной температуры газа.

Термоэлектрический эффект: