Вопросы для самопроверки

1. Что такое холодильная машина? 2. Каковы основные области применения холодильных машин? 3. Каким образом функционируют холодильные машины?

Тема 1.1. Физические основы получения низких температур

Искусственное и естественное охлаждение. Физические явления, лежащие в основе получения низких температур, и сопровождающие их эффекты и мероприятия. Охлаждение при изменении агрегатного состояния вещества. Дросселирование. Процесс расширения с получением внешней работы. Вихревой эффект. Термоэлектрический эффект.

Методические указания

Охлаждение, основано на теплообмене – это самопроизвольный переход тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для охлаждения используются процессы, протекающие с поглощением тепла из окружающей среды: таяние или растворение; кипение или испарение; сублимация и др.

Охлаждение бывает естественным и искусственным.

Естественным охлаждением называется – самопроизвольное понижение температуры вещества до температуры окружающей (охлаждающей) среды.

Искусственное охлаждение – понижение температуры вещества осуществленное одним из двух способов:

• с помощью другого вещества с более низкой температурой за счет отвода теплоты;

• с помощью охлаждающих устройств, холодильных машин и установок – машинное охлаждение.

В основе получения искусственного холода лежат следующие физические явления:

• изменение агрегатного состояния (фазовые превращения), сопровождающиеся поглощением тепла (плавление, парообразование, растворение соли);

• расширение сжатого газа с отдачей внешней работы;

• дросселирование (эффект Джоуля – Томпсона);

• вихревой эффект (эффект Ранка – Хильша);

• термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье);

• размагничивание твердого тела (магнитокалорический эффект);

• десорбция газов.

Изменение агрегатного состояния тела сопровождается выделением или поглощением соответствующего количества тепла. Фазовый переход некоторых веществ при плавлении, кипении (испарении), сублимации происходит при низких температурах и с поглощением значительного количества тепла.

Расширение сжатого газа с отдачей внешней работы. При расширении рабочего тела от давления до давления можно получить работу, если этот процесс происходит в расширительном цилиндре – детандере. Работа совершается за счет изменения энтальпии расширяющегося рабочего тела и отводится от детандера. Если процесс расширения с совершением внешней работы осуществляется без потерь и теплообмена с окружающей средой, то энтропия рабочего тела не меняется. Так как работа совершается за счет энергии рабочего тела, то его температура в процессе расширения всегда понижается

Дросселированием (эффект Джоуля – Томпсона) называют процесс создания искусственного сопротивления на пути движения газа или жидкости, который протекает без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой.

Вихревой эффект (эффект Ранка – Хильша) – охлаждение воздуха этим способом осуществляется с помощью вихревой трубы.

Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье) – поглощение теплоты при прохождении электрического тока через термоэлемент. Сущность термоэлектрического охлаждения заключается в появлении разности температур в спаях термоэлемента; при этом на холодном спае происходит поглощение теплоты из охлаждаемого вещества, передача её к горячему спаю и далее в окружающую среду.