1.2. Физические принципы получения низких температур

1.2.1. Охлаждение за счет фазовых превращений

Плавление и замерзание

При достижении твердым телом температуры плавления дальнейшего повышения его температуры не происходит, а подводимая теплота тратится на изменение агрегатного состояния – превращение твердого тела в жидкость. Температура плавления (замерзания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды. При атмосферном давлении (760мм.рт.ст.) температура плавления водного льда равна 0⁰С. Количество теплоты, необходимое для превращения 1кг льда в воду (или наоборот) называется скрытой или удельной теплотой плавления (замерзания) r_пл(зам). Для водного льда r_пл(зам) = 330 кДж/кг. Количество теплоты, необходимое для превращения льда массой М в воду (или воды в лед), определяют по формуле

Q_пл = M·r_пл(зам).

На практике этот способ применяют, осуществляя охлаждение с помощью заготовленного зимой водного льда или с помощью замороженного льда в льдогенераторах с использованием холодильных машин.

С целью достижения более низких температур применяют льдосоляные смеси, для которых температура и скрытая теплота замерзания зависят от вида соли и % содержания ее в смеси. При содержании в льдосоляной смеси 22,4% хлористого натрия температура замерзания такой смеси равна минус 21,2⁰С, а скрытая удельная теплота замерзания составляет r_зам = 236,1 кДж/кг. Применяя в льдосоляной смеси хлористый кальций (29,9%) можно понизить температуру замерзания этой смеси до температуры минус 55⁰С и в этом случае r_зам = 214 кДж/кг.

Сублимация

Это процесс обусловлен переходом вещества из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу, с поглощением теплоты. Для охлаждения и замораживания пищевых продуктов, а также их хранения и транспортировки в замороженном состоянии используют сублимацию сухого льда (твердой двуокиси углерода). При атмосферном давлении сухой лед, поглощая теплоту из окружающей среды, переходит из твердого состояния в газообразное состояние при температуре минус 78,9⁰С. При этом удельная теплот сублимации сухого льда составляет r_суб = 571 кДж/кг.

Сублимация замороженной воды при атмосферном давлении происходит и при сушке белья зимой. Процесс сублимации лежит в основе промышленной сушки пищевых продуктов (сублимационная сушка). Для интенсификации сублимационной сушки в аппаратах (сублиматорах) поддерживают давление ниже атмосферного с помощью вакуумных насосов.

Испарение

Под испарением понимается процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости. Его физическая природа объясняется вылетом молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения поверхностного слоя. Жидкость при этом охлаждается.

В холодильной технике этот эффект используют в градирнях для охлаждения воды и в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации к воздуху.

При атмосферном давлении и температуре 0⁰С скрытая удельная теплота испарения воды, r_исп = 2501 кДж/кг, а при температуре 100⁰С – r_исп = 2256 кДж/кг.

Кипение

Кипение – нагрев за счет поглощения теплоты. Кипение жидкости при низких температурах является одним из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящую жидкость называют холодильным агентом (сокращенно – хладагент), а аппарат, где он кипит, забирая теплоту от охлаждаемого вещества – испарителем. Количество теплоты Q, подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле

Q = M·r,

где М – масса жидкости, превратившейся в пар, кг;

r – удельная теплота парообразования, кДж/кг.

Кипение однородного вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления кипения Р₀. С изменением давления кипения изменяется и температура кипения t₀. Зависимость температуры кипения от давления кипения (давление фазового равновесия) изображают кривой, называемой кривой упругости насыщенного пара. Значения удельной теплоты парообразования для некоторых холодильных агентов при t₀ = -15⁰С приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Значения удельной теплоты парообразования для некоторых хладагентов

Хладагент	r, кДж/кг	Р0, МПа
R717(аммиак)	1313	0,236
R12	159	0,183
R22	216	0,296
R502	153	0,348
R13	106	1,315

Из таблицы следует, что у аммиака по сравнению с другими хладагентами наибольшая удельная теплота парообразования, дающая в этом смысле ему преимущество при выборе хладагента для той или иной холодильной машины. Хладагент R13, имея значительно меньшую удельную теплоту парообразования, обеспечивает работу холодильной машины при более высоких давлениях кипения.

1.2.2. Охлаждение с помощью охлаждающих устройств, холодильных машин и установок

Дросселирование (эффект Джоуля-Томпсона)

Это один из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах, заключающийся в падении давления и снижении температуры хладагента при его протекании через суженное сечение под воздействием разности давлений без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой.

В узком сечении скорость потока возрастает, кинетическая энергия расходуется на внутреннее трение между молекулами. Это приводит к испарению части жидкости и снижению температуры всего потока. Процесс происходит в регулирующем вентиле или другом дроссельном органе (капиллярной трубке) холодильной машины.

Расширение с совершением внешней работы

Этот процесс используют в газовых холодильных машинах. Если на пути потока, движущегося под воздействием разности давлений, поставить детандер (расширительную машину, в которой поток вращает колесо или толкает поршень), то энергия потока будет совершать внешнюю полезную работу. При этом после детандера одновременно с понижением давления будет снижаться и температура хладагента.

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша)

Этот эффект создается с помощью специального охлаждающего устройства – вихревой трубы и основан на разделении теплого и холодного воздуха в закрученном потоке внутри трубы (теплый на периферии, а холодный в центре).

Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье)

Этот эффект используют в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электрического тока.

Магнитокалорический эффект

В данном случае производится магнитное охлаждение, и компрессор уступает в нем место бесшумному магнитному приводу.

Эффект охлаждения основан на нагреве в постоянном магнитном поле специального материала и его охлаждении при выходе из магнитного поля.

Цикл Майсоценко

Реализация цикла и получение низких температур осуществляется здесь в специальном теплообменнике за счет испарительного охлаждения подаваемого воздуха в пределе до температуры точки росы. При этом движущей силой тепло-и массобмена является психрометрическая разность температур.

Новые принципы получения холода

К новым принципам получения холода следует отнести, например, так называемые "звуковые компрессоры" и "холодильные чипы". В первом случае для создания холода используется звук, а второй связан с термоионным охлаждением. Согласно теоретическим оценкам, энергетическая эффективность этого типа охладителей ожидается в 2раза выше, чем у компрессорных схем. Однако говорить о широком коммерческом использовании новых принципов получения холода пока преждевременно.