6.1. Производство искусственного холода

6.1.1. Области применения низких температур

Холодильные установки относятся к группе систем преобразования энергии, известных под названием термотрансформаторов. Их назначение – отвод теплоты от теплоотдатчика на низком температурном уровне Т0 и подвод к теплоприемнику на более высоком уровне.

Холодильные установки (уровень отвода теплоты Т0 120 К) предназначены для охлаждения и поддержания при низкой температуре различных объектов и технических систем.

Криогенные установки предназначены для тех же целей, но при температурах существенно более низких (уровень отвода теплоты Т0 120 К). Криогенные установки используют для низкотемпературного разделения газовых смесей (воздуха, природного газа и др.) и ожижения газов (кислорода, азота, водорода, гелия, метана и др.).

Работа холодильных и криогенных установок определяется процессами внутреннего охлаждения, которые обеспечивают необходимое понижение температуры рабочего тела. В технике используют в основном три способа внутреннего охлаждения:

1) дросселирование рабочего тела в виде жидкости, влажного пара или газа в области, близкой к пограничной кривой жидкости (эффект Джоуля-Томпсона);

2) детандирование рабочего тела в виде жидкости, влажного пара (расширение ведется в специальном устройстве – детандере с отдачей внешней работы);

3) пропускание электрического тока через спай соединенных попарно полупроводников р- и п- типов (эффект Пельтье).

Первые два способа применяют как раздельно, так и в сочетании и в холодильных и в криогенных установках, третий – только в холодильных. Кроме того, в некоторых случаях для охлаждения используются эффект понижения температуры при взаимном растворении веществ, вихревой эффект температурного разделения газа (эффект Ранка) и др.

Перечисленные способы охлаждения с использованием каскадного метода или регенерации теплоты позволяют образовать все множество современных холодильных и криогенных установок.

По агрегатному состоянию рабочего тела установки делятся на:

- газовые, в которых рабочее тело во всех процессах остается в газообразном состоянии;

- газожидкостные, в теплой части которых рабочее тело находится в виде газа при температурах, далеких от критической, а в холодной части – в виде влажного пара и жидкости;

- парожидкостные, в которых рабочее тело находится либо в виде жидкости и влажного пара, либо в виде перегретого пара при температурах ниже критической или близкой к ней;

- твердотельные, в которых для охлаждения используется твердое рабочее тело.

Парожидкостные холодильные установки в зависимости от принципа работы делятся на три вида:

1) парокомпрессионные, работа которых основана на сжатии в компрессоре сухого насыщенного или незначительно перегретого пара рабочего тела;

2) абсорбционные, в которых сжатие пара основано на абсорбции рабочего тела при температуре окружающей среды и его десорбции при более высокой температуре;

3) струйные, в которых сжатие рабочего тела производится путем использования кинетической энергии рабочего тела.

Рабочие тела, используемые в холодильных установках, называются хладоагентами, в криогенных – криоагентами. Вещества, используемые для передачи теплоты от охлаждаемого объекта к рабочим телам установок, называются хладоносителями.