1. Теоретические процессы получения холода
1.1. Физические основы получения низких температур
В природе осуществляется непрерывный переход тепла от тел с высокой температурой к телам с низкой, т.е. происходит так называемое естественное охлаждение, при котором предельная температура охлаждаемого тела зависит от температуры охлаждающих тел. Охлаждение происходит вследствие передачи части кинетической энергии теплового движения молекул. В результате естественной теплопередачи кинетические энергии и температуры тел выравниваются. При естественном охлаждении нельзя получить температуру тела ниже температуры источника охлаждения. Это возможно только с помощью искусственного охлаждения, создаваемого специальными устройствами, работа которых осуществляется с затратой энергии.
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.
Охлаждение при изменении агрегатного состояния тела
Изменение агрегатного состояния тела сопровождается выделением или поглощением соответствующего количества тепла, расходуемого на внутреннюю работу по преодолению сил сцепления между молекулами. Фазовые превращения происходят при постоянных температуре и давлении, которые зависят от физических свойств тел и условий перехода из одного состояния в другое.
Плавление – переход тела из твердого состояния в жидкое при подводе к нему необходимого количества тепла. Количество тепла, поглощаемое 1 кг твердого тела при переходе его в жидкое состояние, называется теплотой плавления:
,
кДж;
где
– масса (льда) в кг;
– теплоемкость,
;
– температура переохлажденного льда,
К;
– теплота плавления,
;
– температура талой воды, отводимой в
окружающую среду, К;
– теплоемкость воды,
.
Плавление
льда широко используется при безмашинном
охлаждении, однако предельная температура
охлаждения составляет
С.
Для получения более низких температур
применяют смеси льда с солями (понижение
температуры плавления до 218 К). В этом
случае используется хлористый натрий
и хлористый кальций.
Кипение – процесс интенсивного образования пара при нагревании жидкости. Количество тепла, поглощаемого 1 кг жидкого тела при постоянной температуре при переходе его в парообразное состояние, называется теплотой парообразования. Температура образующегося пара – температура насыщения, определяется давлением, при котором находится жидкость. При заданном давлении температура насыщения любой жидкости имеет определенное значение и остается неизменной в течение всего времени кипения. Температура кипящей жидкости принимается равной температуре насыщения. В действительности жидкость несколько перегрета:
,
– определяется
физическими свойствами жидкости и
интенсивностью парообразования;
– температура кипения;
– температура насыщения.
При
увеличении давления температура кипения
повышается, а теплота парообразования
уменьшается:
.
Состояние вещества, в котором обе предельные точки переходной области из жидкости в пар совмещаются в одну с теплотой парообразования равной нулю, называется критическим. При температурах выше критических ни при каких условиях невозможен переход паров в жидкость. Теплота парообразования используется для искусственного охлаждения в парокомпрессионных и абсорбционных машинах. В качестве хладагентов применяются аммиак и фреоны.
Температуры кипения и плавления зависят от давления и изменяются в основном в одном направлении с ним. Кривые плавления и кипения пересекаются в одной точке, называемой тройной. Тройная точка характеризует состояние, в котором при определенном давлении и температуре имеются три фазы (твердая, жидкая, газообразная) в любых количественных соотношениях. Ниже тройной точки вещество находится либо в твердом, либо в газообразном состоянии.
Сублимация – процесс перехода из твердого состояния непосредственно в парообразное состояние. Количество тепла, поглощаемое 1 кг твердого тела при постоянной температуре перехода его в парообразное состояние называется теплотой сублимации. Температура сублимации твердой углекислоты при атмосферном давлении равна 195 К. Теплота сублимации равна сумме теплоты плавления и парообразования.
Рис. 1.1. Фазовая диаграмма для сублимационно – десублимационных процессов: а, б, с-кривые давления паров соответственно при плавлении вещества, над жидкостью, над твердой фазой, Тр - тройная точка; p - давление; T - абсолютная температура.
Дросселирование
Дросселированием называется эффект падения давления рабочего вещества в процессе протекания его через сужение в канале. Физически падение давления в процессе дросселирования обусловлено диссипацией энергии потока, расходуемой на преодоление местного сопротивления – диафрагмы, вентиля, капилляра.
Рассмотрим процесс дросселирования рабочего вещества в диафрагме, установленной в горизонтальном трубопроводе постоянного сечения. Теплообменом рабочего вещества с окружающей средой пренебрегаем (процесс адиабатный).
Рис 1.2. Схема процесса дросселирования в диафрагме.
Масса
рабочего вещества, заключенная в данный
момент между сечениями Ι–Ι (до диафрагмы)
и ΙΙ–ΙΙ (за диафрагмой) перемещается
вдоль трубы. Давление, удельный объем,
температура рабочего вещества до
диафрагмы и после соответственно:
,
,
и
,
,
.
Площадь сечения трубы –
.
За некоторый промежуток времени сечение
Ι–Ι переместится на расстояние
,
сечение ΙΙ–ΙΙ на расстояние
.
Так как давление и плотность рабочего
вещества за диафрагмой ниже, то
.
Для того, чтобы переместить сечение Ι–Ι
на расстояние
,
необходимо совершить работу:
;
– объем вещества,
вытесняемый сечением Ι–Ι за рассматриваемый
промежуток времени через диафрагму.
Иначе
,
где
– масса вещества прошедшего через
диафрагму, кг;
– удельный объем,
.
Для перемещения сечения ΙΙ–ΙΙ против давления выполняется работа:
При перемещении рассматриваемой фиксированной массы рабочего вещества за определенный промежуток времени совершается работа проталкивания:
, (٭)
которая затрачивается на преодоление сопротивления и, превращаясь в теплоту, подводится к самому рабочему телу. В процессе дросселирования без теплообмена с окружающей средой работа может быть произведена только за счет уменьшения внутренней энергии системы. Следовательно:
, (٭٭)
Где
и
– внутренняя энергия единицы массы
вещества до и после диафрагмы.
Приравниваем правые части уравнений (٭) и(٭٭):
или
.
Уравнение
показывает, что в результате адиабатного
дросселирования значения энтальпий
вещества до и после местного сопротивления
одинаковы. Однако в самом процессе
дросселирования энтальпия переменна.
Это объясняется тем, что при протекании
через диафрагму поток ускоряется, его
кинетическая энергия возрастает и
следовательно, энтальпия уменьшается.
За диафрагмой сечение трубы снова
возрастает, поток замедляется, его
кинетическая энергия уменьшается, и
энтальпия увеличивается до прежнего
значения. Процесс дросселирования в
диаграмме (рис. 1.3):
Рис. 1.3. Процесс дросселирования в диаграмме.
Изменение
температуры рабочего вещества:
Из
термодинамики:
;
Тогда:
– коэффициент
дросселирования.
Интегральный дроссельный эффект:
Изменение температуры
1) 
,
то
;
2) 
,
то
;
3) 
,
то
.
Для
идеального газа
следовательно
и
,
т.е. идеальный газ дросселируется без
изменения температуры.
Для
одного и того же рабочего тела знак
может быть различными в различных
областях диаграммы состояния. Состояние
– точка инверсии дросселирования.
Дросселирование представляет собой
необратимый процесс. Обратное направление
движения тела в трубопроводе по-прежнему
будет сопровождаться падением давления.
Поэтому энтропия рабочего тела при
дросселировании возрастает:
.
При течении реального газа, температура которого ниже температуры инверсии, через суженное отверстие происходит понижение его температуры.
Процесс расширения с получением внешней работы
При расширении рабочего тела от давления до давления можно получить работу, если этот процесс происходит в расширительном цилиндре – детандере (a-b):
Рис. 1.4. Процесс расширения рабочего тела: a-b – в детандере, a-c – дросселирование.
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
– коэффициент
обратимого адиабатного расширения
С учетом уравнения Максвелла и выражения теплоемкости:
;
Коэффициент дросселирования (дан ранее):
Тогда:
Поскольку
всегда
и
,
то
.
Процесс
адиабатного расширения с получением
внешней работы термодинамически более
эффективен, чем процесс адиабатного
дросселирования (а – с – дросселирование
).
Вихревой эффект
Охлаждение воздуха этим способом осуществляется с помощью вихревой трубы.
Рис. 1.5. Конструкция вихревой трубы.
В
сопло 3 подается сжатый воздух, затем,
попадая по касательной в трубу 1,
завихряется и приобретает кинетическую
энергию. Воздух двигается в вихревом
потоке с различной угловой скоростью.
У оси трубы скорость вращения больше,
чем на периферии. Поэтому внутренние
слои воздуха, отдавая кинетическую
энергию внешним слоям, охлаждаются до
температуры
и выходят через диафрагму 2. Нагретый
до температуры
воздух выходит через свободный конец
трубы. Расход и температура воздуха
регулируются дроссельным вентилем 4.
Температура охлажденного воздуха
зависит от его начальных параметров -
давления и температуры, а также от
конструкции устройства. При давлении
P =
0,4...1 МПа и температуре
воздух может быть охлажден до конечной
температуры
.
Термоэлектрический эффект
В технике давно и достаточно широко применяют эффект возникновения термо-ЭДС в спаянных проводниках, когда места спаев находятся при различных температурах (эффект Зеебека). Достижения в области создания электрических элементов, использующих данный эффект, привели также к прогрессу в использовании термоэлектрического эффекта Пельтье. Сущность последнего заключается в появлении разности температур на спаях пары материалов при прохождении через них электрического тока.
Рис.
1.6. Схема электрического охлаждения: 1,
2 – полупроводники, 3 – спай термоэлементов;
– поглощаемая теплота,
- выделяемая теплота;
и
– температуры соответственно охлаждения
и нагревания.
Два полупроводника 1 и 2 образуют контур, по которому проходит постоянный ток от источника питания. Если температура на холодных спаях tХ станет ниже, чем температура источника низкой температуры, а температура на горячих спаях tГ выше, чем температура окружающей среды, то термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины, способной переносить теплоту от источника низкой температуры к окружающей среде. Снижение температуры спая происходит в том случае, когда под действием электрического поля электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента, переходят в новое состояние с более высокой энергией. При этом повышение энергии электронов происходит за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжения. При обратном направлении движения тока электроны, переходя на более низкий энергетический уровень, отдают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спай элемента.
Достоинствами данной конструкции являются простота схемы, отсутствие движущей частей, шума, недостатком – повышенное энергопотребление.
Магнитокалорический эффект и десорбция газов применяется в лабораторной практике для получения температур от 4 К до близкий к абсолютному нулю.