01-Способи отримання низьких температур

РОЗДІЛ 1 ТЕОРЕТИЧНІ ПРОЦЕСИ ОТРИМАННЯ ХОЛОДА

1.1 Способи отримання низьких температур

У холодильній техніці відведення теплоти від охолоджуваного об'єкта необхідно здійснювати при температурах нижче температури навколишнього середовища. Як правило, теплоту передають робочому речовині (холодильному агенту), температура якого заздалегідь знижена до необхідного рівня той чи інший спосіб.

На практиці для отримання низьких температур і охолодження робочої речовини застосовують такі методи: фазові переходи, розширення газів і парів, термоелектричний ефект, десорбції газів і адіабатичне розмагнічування парамагнетиків.

1.1.1 Фазові переходи

З метою отримання температур нижче температури навколишнього середовища використовуються такі фазові переходи, як плавлення, розчинення солей, кипіння і сублімація.

Прихована теплота плавлення водного льоду використовувалася з метою охолодження

об'єктів до температур не нижче 0 С з давніх часів. При досягненні температури плавлення швидкість руху молекул твердої речовини в межах жорсткої молекулярної структури максимальна. При цій температурі будь-яке додаткове кількість теплоти, отримане твердою речовиною, викликає його часткове плавлення. При подачі достатньої кількості теплоти вся маса твердої речовини переходить в рідку фазу, в той час як температура залишається постійною. Внаслідок поглинання теплоти плавлення температура охолоджуваного об'єкта знижується.

З метою зниження температури плавлення замість звичайного водного льоду можна використовувати охолоджуючі суміші, що складаються з роздробленого снігу або льоду з сіллю. В якості другого компонента суміші найбільш широкого поширення набули хлорид натрію і хлорид кальцію. При зміні концентрації охолоджуючої суміші змінюється температура плавлення. Наприклад, суміш льоду з хлоридом кальцію при утриманні 29,87% по масі хлориду кальцію плавиться при температурі -55 С.

Розчин, концентрації якого відповідає найбільш низька температура плавлення, називається евтектичним (легкоплавящімся). Евтектичних розчин, залитий в герметичну ємність і заморожений, являє собою акумулятор холоду (зеротор). При заморожуванні евтектичних розчинів від них відводиться енергія і вони як би акумулюють холод, а при плавленні вони поглинають теплоту і знижують температуру охолоджуваного об'єкта.

Процеси розчинення деяких солей у воді також супроводжуються поглинанням певної кількості теплоти, що можна використовувати з метою охолодження. В даний час даний спосіб широкого практичного застосування не отримав.

Одним з найбільш ефективних способів отримання холоду є кипіння рідин при низьких, негативних температурах кипіння. Даний спосіб отримання холоду отримав найбільш широке застосування і використовується в парокомпрессионних, ежекторних, абсорбційних холодильних машинах, в тому числі і побутового призначення.

При переході речовини з рідкої фази в пар його молекули отримують достатньо енергії для подолання сил взаємного тяжіння і сили тяжіння. енерге-

етичні витрати для здійснення внутрішньої роботи з подолання цих сил дуже великі, тому при переході з рідкої фази в пар речовина поглинає значно більше теплоти, ніж при переході з твердої фази в рідку.

Прихована теплота пароутворення і температура кипіння залежать від тиску і теплофізичних властивостей холодильних агентів. Для отримання помірно низьких температур (від 273 до 243 К) використовують аміак з нормальною температурою кипіння - 33,4 С, фреони, наприклад, фреон-12 з температурою кипіння -29,7 С. Для отримання кріогенних температур від 120 до 4 К застосовують кріогенні рідини, серед яких найбільшого поширення набули рідкий азот з температурою кипіння 77 К (-196 с). Найбільш низькою температурою кипіння, що дорівнює 4 К (-269 С) володіє гелій, який застосовується для отримання наднизьких температур.

З метою отримання низьких температур отримав застосування фазовий перехід речовин з твердого стану в пароподібний, званий сублімацією. Тверда речовина сублімує при температурі нижче температури плавлення. Процес сублімації протікає подібно до процесу випаровування, але з набагато меншою швидкістю. Молекули, що володіють великою швидкістю, долають дію сил міжмолекулярної тяжіння і сили тяжіння і вилітають з маси речовини в навколишнє середовище, перетворюючись при цьому в молекули пара.

Прикладом використання сублімації для отримання низьких температур може служити охолодження за допомогою твердої вуглекислоти (сухого льоду). При атмосферному тиску температура сублімації вуглекислоти дорівнює -78 С, теплота сублімації - 573 кДж / кг. При створенні над сухим льодом вакууму можна отримати температуру до -100 С.

1.1.2 Розширення газів і парів

Розширення газів і парів з метою отримання холоду може здійснюватися двома способами:

1) розширення із здійсненням зовнішньої роботи;

При адіабатичному розширенні зі здійсненням зовнішньої роботи внутрішня енергія і температура робочої речовини зменшуються. Максимальна зміна температури досягається при оборотному ізоентропіческом розширенні. При цьому диференційний ефект зміни температури виражається співвідношенням:

Практично розширення попередньо стисненого газу відбувається в газовому

двигуні або детандере, який одночасно здійснює зовнішню роботу. Зовнішня робота може бути використана для будь-яких цілей, наприклад, для перекачування рідин або нагнітання газів. Розширення стисненого газу в детандере відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем, і вчиняється при цьому газом робота проводиться за рахунок його внутрішньої енергії, в результаті чого газ охолоджується. Розширення з здійсненням зовнішньої роботи широко застосовується в повітряних детандерних холодильних машинах.

Дроселюванням називається розширення робочої речовини при проходженні через звужений отвір, вентиль, пористу перегородку і інші види дросельних пристроїв, сопровождающеся зміною температури. При дроселюванні робота, що здійснюються газом, витрачається на подолання тертя в отворі дрос-

селірующего пристрою і переходить в тепло, в результаті чого процес розширення відбувається при постійній ентальпії.

Зміна температури при дроселювання реальних газів пояснюється тим, що ентальпія газу є функцією не тільки температури Т, а й тиску Р:

i = u + рv = з v Т + u піт + рv.

u внутрішня потенційна енергія газу, яку необхідно затратити на подолання сил тяжіння між молекулами;

р v об'ємна енергія газу.

Енергія, необхідна для розширення газу, тобто подолання сил зчеплення між молекулами, при адіабатичному дроселюванні, коли немає припливу тепла з навколишнього середовища, може бути отримана тільки за рахунок внутрішньої енергії самого газу. Так як ентальпія до і після дроселювання (індекси 1 і 2 відносяться відповідно до станів газу перед дроселюванням і після нього) залишається постійною, вираз (2) можна записати в наступному вигляді:

з v Т 1 + u 1 + р 1 v 1 = з v Т 2 + u 2 + р 2 v 2.

Вираз (3) дозволяє встановити можливу поведінку реального газу при дроселюванні: якщо р 2 v 2 р 1 v 1. то Т 1 - Т 2 0 і в результаті дроселювання тем-

пература газу знижується; якщо р 2 v 2 р 1 v 1. але u 2 u 1 (р 1 v 1 р 2 v 2), то дросселі-

вання також призводить зниження температури Т 2 Т 1. Якщо в останньому випадку u 2

u 1 (р 1 v 1 р 2 v 2). то після дроселювання температура газу підвищується, тобто Т 2

Явище зміни температури реального газу при його дроселюванні отримало назву дросельного ефекту або ефекту Джоуля - Томсона. Дросельний ефект вважається позитивним, якщо при дроселюванні газ охолоджується і негативним, якщо температура газу підвищується. Більшість газів мають позитивний дросельним ефектом і при дроселюванні охолоджуються. Негативним дросельним ефектом володіють водень і гелій, які, на відміну від інших газів, при дроселюванні нагріваються.

З метою отримання низьких температур застосовується також вихровий ефект. який здійснюється в вихрових трубах. Схема вихровий труби показана на малюнку 1.

Рис.1 Принципова схема вихровий труби:

1 - дросельний вентиль; 2 - холодний кінець труби; 3 - сопло; 4 - діафрагма; 5 - теплий кінець труби.

Через тангенціальне сопло вихровий труби підводиться стиснене повітря. У трубі відбувається його закручування в просторі, яке з одного боку обмежена діафрагмою з центральним отвором, а з іншого - дросельним вентилем. Через центральний отвір деяка частина повітря виходить, маючи температуру нижчу за початкову, а через дросельний вентиль - решта потоку в нагрітому стані.

Кількість повітря в гарячому і холодному потоках і їх температури можна регулювати відкриванням вентиля. Температури гальмування розділених потоків су-

щественно відрізняються від початкової температури гальмування всього потоку, що пройшов через сопло.

З термодинамічної точки зору процеси, що протікають в вихровий трубі, зводяться до того, що холодне повітря віддає кінетичну енергію решті масі повітря і тому охолоджується. Інша частина повітря сприймає цю енергію і виходить в нагрітому стані. В вихровий трубі повітря охолоджується в результаті незворотного розширення, що обумовлює низьку енергетичну ефективність цього способу охолодження.

Дроселювання як спосіб отримання низьких температур широко застосовується в холодильній техніці. З метою зниження тиску і температури холодильного агента процес дроселювання використовується в компресійних, абсорбційних, ежекторних холодильних машинах.

Вихровий ефект знайшов практичне застосування в вихрових охолоджувачах.

1.1.3 Термоелектричний ефект

Дія термоелектричних охолоджуючих пристроїв заснована на ефекті Пельтьє. Ефект Пельтьє і два інших, що супроводжують процес охолодження термоелектричних ефекту - Зеебека і Томсона, обумовлені взаємним перетворенням електричної і теплової енергії.

Сутність термоелектричного ефекту Пельтьє полягає в наступному: при протіканні постійного струму I через контакт двох різнорідних напівпровідників або провідників в місцях контакту в одиницю часу поглинається або виділяється, в залежності від напрямку струму деяка кількість теплоти. Поглинається або виділяється в цьому процесі теплота Пельтьє пропорційна силі струму:

Термоелектричний ефект здійснюється в термоелементах. схема термо-

елемента показана на малюнку 2.

Мал. 2 Схема термоелектричного елемента:

N, P - напівпровідникові гілки термоелемента; А, В - металеві комутаційні пластини (спаї); Е - джерело постійного струму.

Два напівпровідника з n- і р-провідністю утворюють ланцюг, по якій проходить постійний струм від джерела Е. В результаті поглинання теплоти Пельтьє на одних спаях і виділення на інших встановлюється різниця між температурами спаев. Якщо температура Т х на холодному спае нижче температури охолоджуваного об'єкта Те, а температура на гарячих спаях Т г вище температури навколишнього середовища Т, то

термоелемент буде виконувати функції холодильної машини, переносячи теплоту від холодного джерела до навколишнього середовища. При цьому крім корисно використовуваного холоду Q о к холодним спаям в результаті теплопровідності надходить потік теплоти від гарячих спаїв, зменшуючи можливість зниження температур.

Необоротні втрати, супутні оборотним термоелектричним ефектам, обмежують досяжний перепад між температурами спаев і знижують термодинамічну ефективність термоелектричного генератора холоду.

Термоелектричне охолодження в даний час знайшло широке застосування в багатьох галузях сучасної техніки, в тому числі і в побутових холодильниках і кондиціонерах.

1.1.4 Десорбція газів

Десорбцією називається процес виділення поглинених речовин з адсорбенту. Одним з методів десорбції є витіснення з адсорбенту поглинених компонентів за допомогою агентів, що володіють більш високою адсорбційною здатністю, ніж поглинені компоненти.

При видаленні адсорбованого газу з поверхні поглинача в процесі десорбції відбувається поглинання теплоти, внаслідок чого температура поглинача знижується.

За допомогою десорбції в кріогенної техніки отримують температури порядку декількох градусів. У техніці помірного холоду метод охолодження за допомогою десорбції не знайшов поширення внаслідок значних незворотних втрат.

1.1.5 Адіабатичне розмагнічування парамагнетиків

Адіабатичне розмагнічування або магнітно-теплотворний ефект реалізується в термомагнітних системах. При адіабатичному розмагнічування парамагнітних речовин, також як при адіабатичному розширенні газу, робота проти зовнішніх сил відбувається за рахунок витрати внутрішньої енергії системи і тому призводить до різкого зниження температури.

Для охолодження цим способом парамагнітне речовина (зазвичай брусок парамагнитной солі) витримується при постійній температурі в умовах глибокого вакууму, наприклад, у ванні киплячого гелію. Речовина знаходиться під дією сильного магнітного поля. При виключенні поля відбувається адіабатичне розмагнічування, що дозволяє охолодити парамагнітне речовина до температури, близької до абсолютного нуля. В даний час створені магнітні холодильні машини, що використовують цей ефект для отримання температур нижче 1К.

В даний час адіабатичне розмагнічування використовують для охолодження до наднизьких температур експериментальних зразків в лабораторних умовах.