Фізичні принципи отримання низьких температур

1. Охолодження за рахунок фазових перетворень.

При досягненні твердим тілом температури плавлення подальшого підвищення його температури не відбувається, а підводиться (або відведена) теплота витрачається на зміну агрегатного стану - перетворення твердого тіла в рідину (при відведенні теплоти - з рідини в тверде тіло).

Температура плавлення (затвердіння) залежить від виду речовини і тиску навколишнього середовища.
При атмосферному тиску (760 мм рт. Ст.) Температура плавлення водного льоду дорівнює 0 ° С. Кількість теплоти, необхідне для перетворення 1 кг льоду в воду (або навпаки), називається прихованою або питомою теплотою плавлення r. Для водного льоду r = 335 кДж / кг.
Кількість теплоти, необхідне для перетворення льоду масою М в воду, визначають за формулою: Q = Mr.
Зі сказаного випливає, що одним із способів штучного охолодження є відведення теплоти за рахунок плавлення речовини в твердому стані при низькій температурі.

На практиці цей спосіб давно і широко застосовують, здійснюючи охолодження за допомогою заготовленого взимку з використанням природного холоду водного льоду або за допомогою замороженої в льодогенераторах з використанням холодильних машин води.
При плавленні чистого водного льоду температуру охолоджуваного речовини можна знизити до 0 ° С. Для досягнення більш низьких температур використовують льодосоляною суміші. У цьому випадку температура і прихована теплота плавлення залежать від виду солі та її змісту в суміші. При змісті в суміші 22,4% хлористого натрію температура плавлення льодосоляною суміші дорівнює -21,2 ° С, а прихована теплота плавлення становить 236,1 кДж / кг.

Застосовуючи в суміші хлористий кальцій (29,9%), можна знизити температуру плавлення суміші до -55 ° С, в цьому випадку r = = 214 кДж / кг.

Сублімація - перехід речовини з твердого стану в газоподібний, минаючи рідку фазу, з поглинанням теплоти. Для охолодження і заморожування харчових продуктів, а також їх зберігання і транспортування в замороженому стані широко використовують сублімацію сухого льоду (твердої двоокису вуглецю). При атмосферному тиску сухий лід, поглинаючи теплоту з навколишнього середовища, переходить з твердого стану в газоподібний при температурі -78,9 ° С. Питома теплота сублімації r-571 кДж / кг.

Сублімація замороженої води при атмосферному тиску відбувається при сушінні білизни взимку. Цей процес лежить в основі промислової сушки харчових продуктів, (сушка сублімації). Для інтенсифікації сушки сублімації в апаратах (субліматор): підтримують за допомогою вакуумних насосів тиск нижче атмосферного.

Випаровування - процес пароутворення, що відбувається з вільної поверхні рідини. Його фізична природа пояснюється вильотом молекул, що володіють: великою швидкістю і кінетичної енергією теплового руху, з поверхневого шару. Рідина при цьому охолоджується. У холодильній техніці цей ефект використовують в градирнях для охолодження води і в випарних конденсаторах для передачі теплоти конденсації до повітря. При атмосферному тиску і температурі Про ° С прихована теплота випаровування води r = 2509 кДж / кг, при температурі 100 ° С r = 2257 кДж / кг.

Кипіння - процес інтенсивного пароутворення на поверхні нагрівання за рахунок поглинання теплоти. Кипіння, рідини при низькій температурі є одним з основних процесів в парокомпрессионних холодильних машинах. Киплячу рідину називають холодильним агентом (скорочено - холодоагент), а апарат, де він кипить, забираючи теплоту від охолоджуваного речовини, - випарником (назва не зовсім точно відображає суть того, що відбувається в апараті процесу). Кількість теплоти Q, що підводиться до киплячої рідини, визначають за формулою: Q = Mr,
де М - маса рідини, що перетворилася в пару. Кипіння однорідного ( «чистого») речовини відбувається при постійній температурі, що залежить від тиску. Зі зміною тиску міняється і температура кипіння. Залежність температури кипіння від тиску кипіння (тиску фазового рівноваги) зображують кривою, званої кривої пружності насиченої пари.

Холодоагент R12, маючи значно меншу приховану теплоту пароутворення, забезпечує роботу холодильної машини при більш низьких (в порівнянні з роботою на аміаку) тисках конденсації, що для конкретних умов може мати вирішальне значення.

2. Дроселювання (ефект Джоуля - Томпсона).

Ще один з основних процесів в парокомпрессионних холодильних машинах, що полягає в падінні тиску і зниженні температури холодоагенту при його протіканні - через звужене перетин під впливом різниці тисків без здійснення зовнішньої роботи і теплообміну з навколишнім середовищем.
У вузькому перетині швидкість потоку зростає, кінетична енергія витрачається на внутрішнє тертя між молекулами. Це призводить до випаровування частини рідини і зниження температури всього потоку. Процес відбувається в регулюючому вентилі або іншому дросельному органі (капілярної трубці) холодильної машини.

3. Розширення з вчиненням зовнішньої роботи.

Процес використовують в газових холодильних машинах.
Якщо на шляху потоку, що рухається під впливом різниці тисків, поставити детандер (розширювальну машину, в якій потік обертає колесо або штовхає поршень), то енергія потоку буде здійснювати зовнішню корисну роботу. При цьому після детандера одночасно зі зниженням тиску буде знижуватися і температура холодоагенту.

4. Вихревой ефект (ефект Ранка - Хільша).

Створюється за допомогою спеціального пристрою - вихровий труби. Заснований на поділі теплого і холодного повітря в закрученому, потоці всередині труби.

5. Термоелектричний ефект (ефект Пельтьє).

Його використовують в термоелектричних охолоджуючих пристроях. Він заснований на зниженні температури спаїв напівпровідників при проходженні через них постійного електричного струму.
холодильні камери