Принципы получения низких температур

Для достижения умеренно низких температур в парокомпрессионных холодильных машинах применяется дросселирование, в газовых -изоэнтропное расширение с совершением внешней работы или вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша), в термоэлектрических - эффект Пельтье.

Дросселирование

Под процессом дросселирования понимается непрерывный переход газа или жидкости от более высокого давления к низкому без совершения внешней полезном работы и без теплообмена с окружающей средой.

Дросселирование протекающего газа или жидкости возникает в том случае, когда поток внезапно сужается вследствие уменьшения сечения диафрагмой, вентилем или встретив сопротивление в виде пористой среды, а затем опять получает возможность двигаться в большом сечении.

В суженном сечении скорость потока возрастает, что одновременно вызывает понижение температур потока и, следовательно, уменьшение внутренней энергии его. Кинетическая энергия, полученная потоком в процессе дросселирования, расходуется на трение, превращается в тепло, которое воспринимается самим потоком. Этот процесс приводит к изменению внутренней энергии и температуры дросселируемого вещества, а в случае дросселирования влажного пара - и к увеличению его сухости. В зависимости от свойств состояния дросселируемого вещества внутренняя энергия за дроссельным участком может быть больше или меньше, либо равной внутренней энергии до дроссельного участка. От этого соотношения зависит изменение состояния дросселируемого вещества, следовательно, конечная температура веществ может быть выше, равна, или ниже началь­ной.

Подвод тепла за счет внутреннего трения приводит к изменению не только внутренней энергии, но и к возрастанию энтропии дросселируемого вещества, которая увеличивается не за счет внешних теплопритоков, а вследствие сообщения потоку тепла, эквивалентного потерянной на трение работы (энергии) самого потока; поэтому процесс дросселирования - внутренне необратимый.

Процесс расширения с совершением внешней полезной работы

Поток вещества, перемещаясь из области высоких давлений в область более низких, мог бы совершать полезную внешнюю работу, однако при дросселировании нет условий для совершения такой работы. Эту работу можно получить с помощью турбодетандера (машина, в которой происходит перемещение и расширение среды с совершением внешней работы), если сразу за дроссельным отверстием поместить рабочее колесо турбодетандера. Тогда кинетическая энергия потока, вместо того чтобы вследствие трения переходить в тепло как в процессе дросселирования, используется для получения полезной работы.

Эта внешняя работа может быть «снята» с вала турбодетандера и затем использована. Кроме того, температура потока за турбодетандером не будет повышаться за счет сообщения ему теплового эквивалента потерянной на трение кинетической энергии.

Если такой процесс расширения с совершением внешней работы осуществляется без каких-либо потерь и без теплообмена с внешней средой, то энтропия потока не изменяется и, следовательно, процесс происходит изоэнтропно.