01-Способы получения низких температур

РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА

1.1Способы получения низких температур

Вхолодильной технике отвод теплоты от охлаждаемого объекта необходимо осуществлять при температурах ниже температуры окружающей среды. Как правило, теплоту передают рабочему веществу (холодильному агенту), температура которого заранее понижена до необходимого уровня тем или иным способом.

На практике для получения низких температур и охлаждения рабочего вещества используют следующие способы: фазовые переходы, расширение газов и паров, термоэлектрический эффект, десорбцию газов и адиабатическое размагничивание парамагнетиков.

1.1.1Фазовые переходы

Сцелью получения температур ниже температуры окружающей среды используются такие фазовые переходы, как плавление, растворение солей, кипение и сублимация.

Скрытая теплота плавления водного льда использовалась с целью охлаждения

объектов до температур не ниже 0 С с древних времен. При достижении температуры плавления скорость движения молекул твердого вещества в пределах жесткой молекулярной структуры максимальна. При этой температуре любое дополнительное количество теплоты, полученное твердым веществом, вызывает его частичное плавление. При подаче достаточного количества теплоты вся масса твердого вещества переходит в жидкую фазу, в то время как температура остается постоянной. Вследствие поглощения теплоты плавления температура охлаждаемого объекта снижается.

С целью снижения температуры плавления вместо обычного водного льда можно использовать охлаждающие смеси, состоящие из раздробленного снега или льда с солью. В качестве второго компонента смеси наиболее широкое распространение получили хлорид натрия и хлорид кальция. При изменении концентрации охлаждающей смеси изменяется температура плавления. Например, смесь льда с хлоридом кальция при содержании 29,87% по массе хлорида кальция плавится при температуре -55 С.

Раствор, концентрации которого соответствует наиболее низкая температура плавления, называется эвтектическим (легкоплавящимся). Эвтектический раствор, залитый в герметичную емкость и замороженный, представляет собой аккумулятор холода (зеротор). При замораживании эвтектических растворов от них отводится энергия и они как бы аккумулируют холод, а при плавлении они поглощают теплоту и снижают температуру охлаждаемого объекта.

Процессы растворения некоторых солей в воде также сопровождаются поглощением определенного количества теплоты, что можно использовать с целью охлаждения. В настоящее время данный способ широкого практического применения не получил.

Одним из наиболее эффективных способов получения холода является кипение жидкостей при низких, отрицательных температурах кипения. Данный способ получения холода получил наиболее широкое применение и используется в парокомпрессионных, эжекторных, абсорбционных холодильных машинах, в том числе и бытового назначения.

При переходе вещества из жидкой фазы в пар его молекулы получают достаточно энергии для преодоления сил взаимного притяжения и силы тяжести. Энергети-

1

ческие затраты для совершения внутренней работы по преодолению этих сил очень велики, поэтому при переходе из жидкой фазы в пар вещество поглощает значительно больше теплоты, чем при переходе из твердой фазы в жидкую.

Скрытая теплота парообразования и температура кипения зависят от давления и теплофизических свойств холодильных агентов. Для получения умеренно низких температур (от 273 до 243 К) используют аммиак с нормальной температурой кипения - 33,4 С, фреоны, например, фреон-12 с температурой кипения -29,7 С. Для получения криогенных температур от 120 до 4 К применяют криогенные жидкости, среди которых наибольшее распространение получили жидкий азот с температурой кипения 77 К (-196 С). Наиболее низкой температурой кипения, равной 4 К (-269 С) обладает гелий, который применяется для получения сверхнизких температур.

С целью получения низких температур получил применение фазовый переход веществ из твердого состояния в парообразное, называемый сублимацией. Твердое вещество сублимирует при температуре ниже температуры плавления. Процесс сублимации протекает подобно процессу испарения, но с гораздо меньшей скоростью. Молекулы, обладающие большой скоростью, преодолевают действие сил межмолекулярного притяжения и силы тяжести и вылетают из массы вещества в окружающую среду, превращаясь при этом в молекулы пара.

Примером использования сублимации для получения низких температур может служить охлаждение с помощью твердой углекислоты (сухого льда). При атмосферном давлении температура сублимации углекислоты равна -78 С, теплота сублимации - 573 кДж/кг. При создании над сухим льдом вакуума можно получить температуру до -100 С.

1.1.2 Расширение газов и паров

Расширение газов и паров с целью получения холода может производиться двумя способами:

1)расширение с осуществлением внешней работы;

2)дросселирование.

При адиабатическом расширении с осуществлением внешней работы внутренняя энергия и температура рабочего вещества уменьшаются. Максимальное изменение температуры достигается при обратимом изоэнтропическом расширении. При этом дифференциальный эффект изменения температуры выражается соотношением:

			T			T		v
	S									,	(1)
			Р S			cp		T p
где сp			- удельная теплоемкость при постоянном давлении.
			Практически расширение предварительно сжатого газа происходит в газовом

двигателе или детандере, который одновременно совершает внешнюю работу. Внешняя работа может быть использована для любых целей, например, для перекачки жидкостей или нагнетания газов. Расширение сжатого газа в детандере происходит без теплообмена с окружающей средой, и совершаемая при этом газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается. Расширение с осуществлением внешней работы широко применяется в воздушных детандерных холодильных машинах.

Дросселированием называется расширение рабочего вещества при прохождении через суженное отверстие, вентиль, пористую перегородку и другие виды дроссельных устройств, сопровождающеся изменением температуры. При дросселировании работа, совершаемая газом, затрачивается на преодоление трения в отверстии дрос-

2

селирующего устройства и переходит в тепло, в результате чего процесс расширения происходит при постоянной энтальпии.

Изменение температуры при дросселировании реальных газов объясняется тем, что энтальпия газа является функцией не только температуры Т, но и давления Р:

i = u + рv = сvТ + uпот + рv ,			(2)
где u		внутренняя энергия реального газа;
сv		удельная теплоемкость при постоянном объеме;
сv Т		внутренняя кинетическая энергия молекул газа;

uвнутренняя потенциальная энергия газа, которую необходимо затратить на преодоление сил притяжения между молекулами;

р v объемная энергия газа.

Энергия, необходимая для расширения газа, т.е. преодоления сил сцепления между молекулами, при адиабатическом дросселировании, когда нет притока тепла из окружающей среды, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа. Так как энтальпия до и после дросселирования (индексы 1 и 2 относятся соответственно к состояниям газа перед дросселированием и после него) остается постоянной, выражение (2) можно записать в следующем виде:

сvТ1 + u1 + р1v1 = сvТ2 + u2 + р2v2 ,

(3)

Выражение (3) позволяет установить возможное поведение реального газа при дросселировании: если р2v2 р1v1, то Т1 - Т2 0 и в результате дросселирования тем-

пература газа понижается; если р2v2 р1v1, но u2 u1 (р1v1 р2v2), то дроссели-

рование также приводит понижению температуры Т2 Т1. Если в последнем случае u2

u1 (р1v1 р2v2), то после дросселирования температура газа повышается, т.е. Т2

Т1.

Явление изменения температуры реального газа при его дросселировании получило название дроссельного эффекта или эффекта Джоуля - Томсона. Дроссельный эффект считается положительным, если при дросселировании газ охлаждается и отрицательным, если температура газа повышается. Большинство газов обладают положительным дроссельным эффектом и при дросселировании охлаждаются. Отрицательным дроссельным эффектом обладают водород и гелий, которые, в отличие от других газов, при дросселировании нагреваются.

С целью получения низких температур применяется также вихревой эффект, который осуществляется в вихревых трубах. Схема вихревой трубы показана на рисунке 1.

Рис.1 Принципиальная схема вихревой трубы:

1 - дроссельный вентиль; 2 - холодный конец трубы; 3 - сопло; 4 - диафрагма; 5 - теплый конец трубы.

Через тангенциальное сопло вихревой трубы подводится сжатый воздух. В трубе происходит его закручивание в пространстве, которое с одной стороны ограничено диафрагмой с центральным отверстием, а с другой - дроссельным вентилем. Через центральное отверстие некоторая часть воздуха выходит, имея температуру ниже начальной, а через дроссельный вентиль - оставшаяся часть потока в нагретом состоянии.

Количество воздуха в горячем и холодном потоках и их температуры можно регулировать открыванием вентиля. Температуры торможения разделенных потоков су-

3

щественно отличаются от начальной температуры торможения всего потока, прошедшего через сопло.

С термодинамической точки зрения процессы, протекающие в вихревой трубе, сводятся к тому, что холодный воздух отдает кинетическую энергию остальной массе воздуха и поэтому охлаждается. Другая часть воздуха воспринимает эту энергию и выходит в нагретом состоянии. В вихревой трубе воздух охлаждается в результате необратимого расширения, что обусловливает низкую энергетическую эффективность этого способа охлаждения.

Дросселирование как способ получения низких температур широко применяется в холодильной технике. С целью снижения давления и температуры холодильного агента процесс дросселирование используется в компрессионных, абсорбционных, эжекторных холодильных машинах.

Вихревой эффект нашел практическое применение в вихревых охладителях.

1.1.3 Термоэлектрический эффект

Действие термоэлектрических охлаждающих устройств основано на эффекте Пельтье. Эффект Пельтье и два других, сопутствующих процессу охлаждения термоэлектрических эффекта - Зеебека и Томсона, обусловлены взаимным превращением электрической и тепловой энергии.

Сущность термоэлектрического эффекта Пельтье заключается в следующем: при протекании постоянного тока I через контакт двух разнородных полупроводников или проводников в местах контакта в единицу времени поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока некоторое количество теплоты. Поглощаемая или выделяемая в этом процессе теплота Пельтье пропорциональна силе тока:

Qп	П I ,		(4)
где	I		сила тока;
	П		коэффициент Пельтье, зависящий от физических свойств термоэлектри-
			ческих материалов и температуры контактов.
	Термоэлектрический эффект осуществляется в термоэлементах. Схема термо-

элемента показана на рисунке 2.

Рис. 2 Схема термоэлектрического элемента:

N, P – полупроводниковые ветви термоэлемента; А, В – металлические коммутационные пластины (спаи); Е – источник постоянного тока.

Два полупроводника с n- и р-проводимостью образуют цепь, по которой проходит постоянный ток от источника Е. В результате поглощения теплоты Пельтье на одних спаях и выделения на других устанавливается разность между температурами спаев. Если температура Тх на холодном спае ниже температуры охлаждаемого объекта То, а температура на горячих спаях Тг выше температуры окружающей среды Т, то

4

термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины, перенося теплоту от холодного источника к окружающей среде. При этом помимо полезно используемого холода Qо к холодным спаям в результате теплопроводности поступает поток теплоты от горячих спаев, уменьшая возможность снижения температур.

Необратимые потери, сопутствующие обратимым термоэлектрическим эффектам, ограничивают достижимый перепад между температурами спаев и снижают термодинамическую эффективность термоэлектрического генератора холода.

Термоэлектрическое охлаждение в настоящее время нашло широкое применение во многих отраслях современной техники, в том числе и в бытовых холодильниках и кондиционерах.

1.1.4 Десорбция газов

Десорбцией называется процесс выделения поглощенных веществ из адсорбента. Одним из методов десорбции является вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов посредством агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем поглощенные компоненты.

При удалении адсорбированного газа с поверхности поглотителя в процессе десорбции происходит поглощение теплоты, вследствие чего температура поглотителя снижается.

С помощью десорбции в криогенной технике получают температуры порядка нескольких градусов. В технике умеренного холода метод охлаждения с помощью десорбции не нашел распространения вследствие значительных необратимых потерь.

1.1.5 Адиабатическое размагничивание парамагнетиков

Адиабатическое размагничивание или магнитно-калорический эффект реализуется в термомагнитных системах. При адиабатическом размагничивании парамагнитных веществ, также как при адиабатическом расширении газа, работа против внешних сил совершается за счет затраты внутренней энергии системы и поэтому приводит к резкому снижению температуры.

Для охлаждения этим способом парамагнитное вещество (обычно брусок парамагнитной соли) выдерживается при постоянной температуре в условиях глубокого вакуума, например, в ванне кипящего гелия. Вещество находится под действием сильного магнитного поля. При выключении поля происходит адиабатическое размагничивание, позволяющее охладить парамагнитное вещество до температуры, близкой к абсолютному нулю. В настоящее время созданы магнитные холодильные машины, использующие этот эффект для получения температур ниже 1К.

В настоящее время адиабатическое размагничивание используют для охлаждения до сверхнизких температур экспериментальных образцов в лабораторных условиях.

5