29Способы получ.Искусств.Холода

1. Охлаждение при помощи десорбции - суть метода состоит в последовательном насыщении, например, активированного угля газом (например, гелием) и последовательном от­бивании его из этой среды. Данный способ протекает с большими энергетическими потерями, и с термодинамической точки зрения он имеет смысл лишь при получении сверхнизких температур.

2. Охлаждение посредством расширения сжатого газа – при расширении газа и совершении им работы за счет внутренней энергии, температура газа. Наибольшего охлаждения можно достичь при адиабатическом расширении без теплообмена с окружающей средой. Воздух, сжатый до 9МПа при адиабатическом расширении до 0,1 МПа снижает температуру до -190⁰СРасширение в детандере используют для получения криогенных температур.

3. Охлаждение при помощи дросселирования (эффект Джоуля-Томсона)

Дросселированием называется снижение давления жидкости или газа при прохождении его через узкое отверстие (трубка малого диаметра, вентиль с малым проходным сечением). Поток вещества не произво­дит работу, и давление снижается практически адиабатически, т. е. без теплообмена с внешней средой. При этом энтальпия (теплосодержа­ние) вещества остается постоянной.

Физическая сущность дросселирования состоит в том, что внутрен­няя энергия газа расходуется не на получение внешней работы, а на пре­одоление сопротивления (вследствие внутреннего трения газа). При преодолении газом или жидкостью сопротивления, местного (узкое отверстие) или по длине (прохождение через трубку малого сечения), температура среды понижается.

4. Вихревой эффект охлаждения

В общих чертах суть процесса состоит в том, что поток сжатого воз­духа, который подается в трубу через сопло по касательной к ее сече­нию, образует вихрь, в котором происходит разделение газа. Наружный слой нагревается, внутренний становится холодным. Поток холодного воздуха, расположенного в центральной части, выходит из трубы че­рез диафрагму 2, а внешние, нагретые слои воздуха, выходят за преде­лы трубы через дроссельный вентиль.

Термодинамические процессы вихревой трубы, несмотря на ее кон­структивную простоту, с практической точки зрения мало эффектив­ны. Получение холодного воздуха при помощи вихревой трубы связа­но со значительным перерасходом энергии (в 8-10 раз) по сравнению с воздушной холодильной машиной.

5. Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье)

1834 г. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а другой нагревается. Количество тепла Q, поглощаемого или выделяемого спаем, в зависимости от направления тока силой / за время t определяется следующим соотношением:

Q = П I T.

Величина П называется коэффициентом Пельтье.

(+) нет сложных механизмов, компактность, надежность

(-) высокая стоимость

6. Охлаждение при помощи фазовых превращений

Фазовые превращения (плавление, кипение, сублимация, конденсация) являются процессами с поглощением значительного количества тепла.

Плавление. Температура таяния чистой воды составляет О °С, по­этому теплоотводящую среду можно охладить до более низкой тем­пературы, используя солевые растворы. На практике для получения низких температур используют вещества с предельной эвтектической температурой — поваренную соль (t_am = -21,2 °С), хлористый каль­ций (t = -55 °С). Однако с увеличением концентрации солевого раствора уменьшается его холодопроизводительность..

Эвтектическим раствором заполняют водонепроницаемые пакеты, которые называют аккумуляторами холода. Их помещают в охлаждаемый объем, где замороженная эвтектическая смесь льда 1 соли оттаивает, отнимая тепло от охлаждаемой среды. Однако дли­тельность хранения продуктов ограничена объемом солевого раствора, поэтому способ применяется в основном для хранения небольших количеств продуктов, например при транспортировке продуктов в бытовых сумках-холодильниках.

Кипение и сублимация. Кипением называют процесс парообразования по всему объему жидкости, протекающий с поглощением определенного количества тепла. Удельной теплотой парообразования называется количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения. При уменьшении давления температура кипения жидкости понижается, так как для отрыва молекул пара от жидкости требуется меньшая внутренняя энергия. Для получения холода применяют жидкости, имеющие при нормаль­ном (атмосферном) давлении низкую температуру кипения и боль­шую теплоту парообразования.

Сублимацией называется процесс перехода вещества из твердого со­стояния в газообразное состояние, минуя жидкое. В обычных услови­ях сублимируют, например, «сухой лед» (твердая углекислота), йод, камфара.

Механизм процесса сублимации состоит в выделении за пределы твердого вещества наиболее «быстрых» молекул, кинетическая энергия которых обеспечивает преодоление сил притяжения остальных частиц твердого вещества.

На практике охлаждение посредством сублимации реализуют в основ­ном посредством твердой углекислоты. Твердая углекислота («сухой лед») при атмосферном давлении имеет большую холодопроизводи­тельность (574 кДж/кг) и низкую температуру сублимации (-78,9 °С).