II Физические основы техники низких температур

Определение

Искусственное охлаждение – понижение температуры объекта ниже температуры окружающей среды.

Искусственный холод – это теплота, температурный уровень которой ниже температуры окружающей среды.

Естественный холод – использование температуры окружающей среды для охлаждения различных процессов, если температура достаточно низка. Сюда относится:

1. Использование холода атмосферного воздуха в зимнее время года

2. Использование холода водного льда, накопленного в зимнее время и др.

Лекция 2

Общая классификация холодильных машин.

Тип	Вид использованной энергии	Фазовое состояние рабочего вещества
1	механическая	жидкость – пар
2	тепловая	жидкость – пар
3	тепловая	жидкость – пар
4	механическая	жидкость – газ
5	механическая	Газ
6	Электрическая	Твердое тело

теплоиспользующие

Источники тепла

Для всякой тепловой машины (ХМ, в которой осуществляется обратный термодинамический цикл, или энергетический цикл, в котором осуществляется прямой термодинамический цикл) необходимо два источника тепла: источник низкотемпературного тепла (ИНТ) и источник высокотемпературного тепла (ИВТ). Каждый из этих источников может отдавать тепло системе или воспринимать (отбирать) тепло от системы, т.е. быть теплоприемником. Выполнять роль ИНТ и ИВТ может окружающая среда (ОС). Она может быть источником тепла и теплоприемником.

Термодинамическая система – это совокупность тел находящихся во взаимодействии между собой и окружающей средой. Она, или ее часть, отделена от окружающей среды контрольной поверхностью с заданной проницаемостью.

ХМ является термодинамической системой, находящейся во взаимодействии с окружающей средой, характерные формы взаимодействия: тепловая и механическая.

Термодинамические процессы и циклы ХМ осуществляются с помощью рабочего вещества – холодильного агента (ХА).

Состояние термодинамической системы характеризуется параметрами состояния рабочего вещества.

Параметры состояния – это физические величины:

«» – термические параметры состояния.

«энтальпия 𝒥, Дж; внутренняя энергия U, Дж; энтропия S » – калорические параметры состояния.

Наиболее широко используются: 𝒾, ; u, ; s, .

Термодинамический процесс – это процесс, при котором изменяется хотя бы один из параметров состояния.

Термодинамический цикл – это совокупность последовательных термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в первоначальное состояние по всем параметрам.

Основные уравнения для расчета и анализа термодинамических процессов и циклов вытекают из первого и второго начала термодинамики.

Первое начало термодинамики

Количество теплоты, подведенное к системе через контрольную поверхность равно изменению внутренней энергии и работе совершаемой системой против внешних сил.

(1), PdV = L_абс

d𝒥 = dU + d(PV) (2)

d

(PV) = PdV + VdP

; VdP = L_{технич.}

L_{технич.} – это работа затраченная на сжатие и перемещение рабочего вещества.

Q_1-2 = (𝒥₂ - 𝒥₁)-

Изоэнтропный Q = 0,

Изобарический p = const, Q_1-2 = 𝒥₂ - 𝒥₁

Второе начало термодинамики

Теплота не может самопроизвольно переходить от системы с меньшей к системе с большей температурой. Для осуществления такого процесса необходимо затратить энергию. Направление подвода или отвода теплоты характеризуется параметром состояния – энтропия.

Полный дифференциал энтропии будет изменение количества теплоты на температуру.

;

Энтропию называют приведенной теплотой.

Q – теплота участвующая в процессе.

Т – температура при которой процесс происходит.

Энтропия является мерой обратимости процесса

Для конечного процесса, равное интегралу от начального до конечного, количество теплоты на температуру здесь будет равенство или больше.

Для обратимого процесса будет знак «=». Для необратимого будет знак «>». Для кругового процесса будет:

Для циклической работы ХМ необходимо, чтобы был не только подвод тепла, но и отвод тепла и следовательно нужны источник тепла и теплоприемник.

Отсюда важнейший вывод из второго начала термодинамики.

Подставляя в уравнения 1 и 2 вместо TdS, то получится

Получение низких температур с помощью фазовых превращений рабочих веществ.

Фазовые превращения – это: кипение, испарение, плавление и сублимация.

I – линия кипения;

II – линия плавления;

III – линия сублимации.

Кр – критическая тоска, в которой состояние жидкости и пара не различимы.

т.А – тройная точка равновесия трех фаз: жидкой, твердой и газообразной.

На линиях I, II, III в равновесии находятся соответственно: жидкость – пар, твердое тело – жидкость, твердое тело – пар. При повышении температуры рабочее вещество меняет фазовые состояния.

На этих линиях температура и давление связаны между собой однозначно: чем выше давление, тем выше температура, и наоборот. Эти линии называются линиями насыщения.

Для каждого рабочего вещества существует температура кипения при атмосферном давлении, которая называется нормальной температурой кипения: T_s, K; t_s, ^oC – является важной характеристикой данного рабочего вещества.

	ts, oC	tкр, oC	Ркр, МПа	tf, oC	Рf, МПа
Вода Н2О	100	374,5	22,56	0	0,00061
Амиак NН3	-33,35	132,4	11,52	-77,7	0,6
Диоксид углерода СО2	-78,5	31,0	7,38	-56,6	0,554
Воздух	-192	-140	3,76	-208	0,01

Кипение – процесс происходящий с подводом тепла при постоянном давлении и при постоянной температуре (для моновеществ).

Необходимый уровень температуры обеспечивается соответствующим уровнем давления (см. рис. выше). Если температура кипения ниже температуры окружающей среды, то с помощью этого процесса можно проводить охлаждение.

Эффект охлаждения определяется теплотой парообразования, обозначается латинской буквой «r».

х – степень сухости.

1-е слагаемое: - внутренняя теплота парообразования, затраченная на придание необходимой энергии молекулам вещества при переходе из жидкости в пар.

2-е слагаемое: - внешняя теплота парообразования, расходуемая на преодоление внешнего давления (разность удельных объемов).

При повышении давления температура кипения возрастает, а теплота парообразования уменьшается и в критической точке (при Т_кр) r = 0.

Процесс парообразования при кипении используется в парожидкостных холодильных машинах. В лабораторной практике и в некоторых технологических процессах используется эффект парообразования: жидкого воздуха, азота и других сжиженных газов.

Необходимая температура кипения обеспечивается достаточно низким давлением, при котором происходит процесс.

Испарение – это процесс парообразования, происходящий на свободной поверхности жидкости, при температуре ниже нормальной температуры кипения вещества. Этот процесс связан с неравновесным состоянием паровой фазы над жидкостью и самой жидкостью.

Эффект испарения воды, испаряющейся в условиях низкой относительной влажности воздуха при 0 градусов составляет 2500

Сублимация. В области ниже тройной точки (см. рисунок) вещество находится либо в твердом либо в газообразном состоянии. Точки кривой III определяются значениями температур и давлений, при которых твердая и газообразная фазы находятся в равновесии. Процесс перехода из твердого состояния в газообразный называется сублимацией.

Процесс сублимации дает большой эффект, т.к. теплота сублимации равна сумме теплот плавления и парообразования (кипения).

На практике широко используется сублимация диоксида углерода СО₂ (сухого льда), тройная точка которого выше атмосферного давления (см. таблицу) Р_f = 0,528; Р_атм = 0,1 МПа.

При атмосферном давлении и температуре -77,7 ^оС (есть в табличке) теплота сублимации составляет 573 .

Процесс сублимации применяется для сублимационной сушки. Если замороженный продукт, содержащий воду, поставить по вакуум ниже давления тройной точки воды (0,00061 МПа), то при подводе тепла вода будет сублимировать – выходить из продукта и продукт будет обезвожен.

Плавление – процесс перехода рабочего вещества из твердого состояния в жидкое, происходящий с поглощением тепла, при этом поглощается теплота плавления. Для водного льда теплота плавления составляет 334,88

Для получения низких температур с использованием эффекта плавления используются растворы (водные) солей и кислот. При этом температура плавления понижается, но одновременно снижается и теплота плавления по сравнению с водным льдом. Так, например 30% раствор поваренной соли позволяет получить температуру -21,2 ^оС и теплоту плавления 192,55 Раствор хлористого кальция в воде позволяет получить -55 ^оС. Достигаемая температура плавления в водных растворах солей характеризуется диаграммой концентрация – температура (Т-х).

В точке Е раствор насыщен одновременно обоими компонентами. Ниже точки Е расположены две твердые фазы, насыщенные соответственно, с преобладанием компонента А и В. Над кривыми раствор находится в жидком состоянии, под кривыми – в твердом.

Таким образом, линия 1 и 2 – линия плавления или кристаллизации. Концентрация х_Е – называется эвтектической, а температура Т_Е – эвтектической температурой. Для данной пары веществ более низкая температура достигнута быть не может.

	Концентрация соли, %	tЕ, оС
NaCl	22,4	-21,2	236,1
NH4Cl	18,6	-15,7	239,8

В справочной литературе имеется огромное количество данных о параметрах эвтектических растворов из разных компонентов. На практике этот эффект находит применение в быту (сумка – холодильник, в автомобильном транспорте).

В автомобильном транспорте: изолированный кузов грузовика, стенки которого состоят из панелей, наполненных эвтектическим раствором и в нее встроен трубчатый теплообменник, подключают к ХМ, которая прокачивает через него теплоноситель.

Лекция 3.

Диаграмма состояния рабочих веществ.

В настоящее время для любого использующегося рабочего вещества (холодильного агента) разработаны уравнения состояния, которые описывают взаимосвязь в термических параметрах состояния: Р, МПа; t (Т), ^оС (К); υ, м³/кг – и два калорических: 𝒾, ; S .

С помощью уравнения состояния для инженерных расчетов строятся диаграммы состояния. Используются два типа диаграмм: S – T, 𝒾 – P. Для диаграммы S – T на поле наносятся изолинии Р=const, 𝜐=const, 𝒾 =const, а также линия насыщения х=0 и х=1 (х – степень сухости вещества в области насыщения). В области насыщения наносятся линии х=const (линия постоянной степени сухости вещества).

Диаграмма S – T используется для анализа процессов и циклов, а диаграмма 𝒾 – P для инженерных расчетов ХМ.

Для диаграммы 𝒾 – P наносятся T=const, 𝜐=const, S=const, x=const, x=0, x=1.

Обобщающая диаграмма состояния рабочего вещества в координатах S – T, в которой отражены все возможные состояния рабочего вещества:

а) Твердое вещество;

б) Двухфазное состояние твердое вещество – жидкость;

в) Жидкое вещество.

г) Двухфазное состояние жидкость – пар;

д) Парообразное вещество;

е) Газообразное вещество в области температур выше Т_кр.

Области: I – жидкость-пар;

II – сухой перегретый пар;

III – жидкость переохлажденная;

IV – твердое тело-пар;

V – твердое тело-жидкость;

VI – твердое переохлажденное тело.

Процессы: 1-2 – кипение жидкости (Р=const);

1-3 – дросселирование жидкости с ↓ давления в области влажного

пара;

4-5 – плавление;

6-7 – сублимация;

8-9 – дросселирование в области перегретого пара (газа);

8-10 – расширение пара (газа) по изоэнтропе;

11-12 – дросселирование газа за пределами линии инверсии;

5-1 – нагрев жидкости до состояния насыщения по Р=const.

4-5-1-2-8 – изобара.

Охлаждение с помощью расширения газов.

Имеется в виду, что газ предварительно сжат до давления р₁ и затем его расширяют до более низкого давления, например, до атмосферного. Достигаемое охлаждение зависит от способа расширения.

1. 

(2) внешних сил. а возвращается в первонОхлаждение с помощью дросселирования.

Дросселирование газа – это процесс падения давления рабочего вещества при протекании через сужения в канале. Характерные свойства дросселирования:

а) Поток газа не совершает внешней работы;

б) Давление падает быстро без теплообмена с окружающей средой;

в) Процесс проходит по линии , при этом изменяется внутренняя энергия U и объемная энергия PV.

При дросселировании энергия затрачивается на проталкивание газа через узкое сечение при этом кинетческая энергия (скорость) резко возрастает и температура снижается. После узкого сечения скорось газа резко снижается и необратимые потери, связанные с проталкиванием газа, снова нагревают поток.

Процесс по 𝒾=const (ℐ=const) выполняется только по конечным точкам.

Соблюдается закон сохранения энергии

U₁ + P₁V₁ = U₂ + P₂V₂

Температура Т₂<Т₁, если U₂<U₁, а P₂V₂>P₁V₁

В принципе, в зависимости от того в какой области диаграммы состояния происходит дросселирование в результате может быть получено и охлаждение (Т₂<Т₁) и охлаждение (Т₁<Т₂).

Для оценки ожидаемого результата используют дифференциальный эффект Джоуля-Томпсона.

- это отношение безконечно малого изменения температуры к безконечно малому изменению давления.

Если , то будет охлаждение;

Если , то будет охлаждение;

Если в точках перегиба линии 𝒾=const в диаграмме состояния. Если эти точки в дмаграмме состояния соединить между собой, то это будет линия инверсии.

В соответствии с диференциальными уравнениями термодинамики

Для идеального газа, у которого изоэнтальпы и изотермы совпадают эффект охлаждения или нагрева газа является принадленостью реального газа.

Интегральный эффект дросселирования – это конечное изменение температуры при конечном изменении давления.

На практике используют дифференциальный эффект соответствующий изменению давления на 1 бар (0,1 МПа), тогда

Для воздуха ^оС

Изотермический эффект дросселирования.

Это холодопроизводительность, которая может быть получена при нагреве пара от Т₂ до Т₁.

Процесс дросселирования необратимый, проходит с возрастанием энтропии, он малоэффективен и в холодильной технике не применяется, но он используется в криогенной технике в установках ожижения и разделения газов на ряду с другими процессами охлаждения, например, в цикле Линде

Охлаждение при расширении газов с получением работы.

Предварительно сжатый газ может быть расширен до более низкого давления в расширительных машинах – детандерах. Используются турбодетандеры, и в некоторых случаях поршневые детандеры.

Работа снимаемая с вала детандера может быть использована для сжатия газа, выработки электрической энергии.

При расширении газов предварительно сжатого газа от давления Р₁ до Р₂ в расширительной машине, с отдачей работы, температура газа во всех случаях снижается.

Работа совершается за счет изменения энтальпии расширяющегося газа. Если процесс совершается без потерь и без теплообмена с окружающей средой, то он будет проходить по линии S=const и следовательно будет обратимым. Эффект охлаждения в обратимом изоэнтропном процессе расширения характеризуется отношением безконечно малого изменения температуры к безконечно малому изменению давления.

В соответствии с диференциальным уравнением термодинамики

	;

Интегральный эффект

Для воздуха

Изотермический эффект

Для расчета этого эффекта можно использовать приблтженное уравнение:

, где к-показатель адиабата

При условиях: Р₁ = 1 МПа (10 бар), Т₁ = 300 К. Расширение до атмосферного давления ,

– это температра при расширении газа до давления Р₂ по изоэнтропе. Это предельно возможная низкая температура, которую можно получить при заданных Т, Р₁, Р₂. Поэтому разность температур используют как эталон для оценки эффективности охлаждения расширением газов.

В действительности эта разность температур достигнута быть не может, т.к. процесс расширения происходит с потерями, с ростом энтропии и действительная температура, до которой охладился расширившийся газ будет выше, т.е. и

Температурная эффективность процесса определяется:

Охлаждение с помощью расширения газа в вихревой трубе. Эффект Ранка.

Предварительно сжатый газ подается в трубу через сопло направленное тангенциально к трубе. В трубе газ завихряется в пространстве между диафрагмой и вентилем. При завихрении потока его центральная часть отдает энергию перефирийным слоям и охлаждается до температуры . Охлаждаемый воздух, доля которого , выводится через диафрагму; нагретая чась воздуха, доля которой , выводится из трубки через вентиль. Нагретый воздух имеет температуру .

Изменением положения вентиля вдоль оси трубки можно изменять соотношения потока холодного и горячего газа. При этом будут меняться и температуры Т_г и Т_х. Процесс расширения в вихревой трубе заведомо необратим как и дросселирования (происходит с ↑ энтропии). Известно, что если после расширения смешать между собой горячий и холодный потоки, то температура будет равна Т_др.

Характеристика процесса в вихревой трубе.

График показывает зависимость достигаемого понижения температуры в трубе от доли охлаждения воздуха. Максимальное охлаждение достигается при доле охлаждения воздуха .

Тепловой и материальный баланс в трубе:

(1)

Выразив разность энтальпий через разность температур газа запишем

(2)

Лекция 4

Охлаждение расширением газа в пульсационном устройстве.

Предварительно сжатый газ с параметрами р₁ и Т₁ (например, р₁=0,5 МПа) подается во вращающийся ротор-распределитель. В полости корпуса и в выходном патрубке более низкое давление р₂, например 0,1 МПа.

Газ через сопла в роторе-распределителе периодически подводится к трубкам-рецепторам с частотой равной частоте вращения ротора умноженной на число сопел ротора. В рецепторе газ периодически сжимается и расширяется.

В результате такого пульсационного процесса в нем устанавливается постоянное распределение температуры от (0,7…0,9)Т₁, в начале рецептора, до (1,7…2,0)Т₁, в конце рецептора.

Давление на входе в рецептор изменяется от близкого к р₂ (например, 0,1 МПа) до более высокого давления, но несколько меньше чем р₁.

От горячего конца рецептора тепло отводится в окружающую среду, т.е. отдается часть энергии сжатого газа.

Пульсационный процесс уподобляется процессу расширения газа с отводом энергии (в принципе, отводимое тепло может быть полезно использовано).

В связи с этим температурная эффективность этого процесса достаточно высока и может приближаться к эффективности расширения газа в детандере.

На графике показано распределение температуры вдоль длины рецептора.

Пример.

Т₁ = Т_ос = 293 К

Т_к.рец. = 586 К (313 ^оС)

Т_выход. = 234 К (-38 ^оС)

Пример

Число сопел 4, число рецепторов 16, диаметр рецептора 0,012 м (12см), длина рецептора 𝓵 = 1 м, при 𝜋_к = = 3,0,

Относительная эффективность различного способа охлаждения расширением.

Способ	𝜂т
Дроссель	<0,1
Вихрь	0,25…0,35*
Пульс	0,6…0,7
Детанд.	0,8…0,9

*Только для доли

Охлаждение с использованием электрических и магнитных эффектов.

Термоэлектрический эффект (полупроводниковые охладители)

Термоэлектрический эффект основан на явлении возникновения ЭДС в цепи из двух разнородных проводников, если спаи этих проводников имеют различную температуру. На этом принципе построены термопары, использующие для измерения температуры.

Открыт в 1812г. Зеебеком. В 1834г. Пельтье обнаружил обратный эффект, т.е. нагрев и охлаждение противоположных спаев.

Устройство полупроводникового элемента:

Два разнородных полупроводника 1 и 2 соединены между собой спаем, другой конец соединен горячим спаем, соединен с источником постоянного тока. В результате прохождения тока, согласно эффекту Пельтье один из спаев охлаждается и к нему может быть подведено тепло Q₀ от охлаждаемого объекта. Второй спай нагревается и тепло Q_г отводится в окружающую среду. Эффект охлаждения зависит прежде всего от свойств материала полупроводников, а именно от их термо ЭДС, обозначают буквой 𝛼, . Переносимое по эффекту Пельтье, равно

разности термо ЭДС полупроводников, умноженное на силу тока и абсолютную температуру холодного спая.

Материалы полупроводников 1 и 2 подбирают таким образом, чтобы коэффициент Пельтье 𝛼 для них были равны по величине и противоположны по знаку.

Тогда холодопроизводительность по эффекту Пельтье будет равно Q = 2𝛼𝒥T_x.

Полной реализации эффекту Пельтье препятствует два физических фактора: 1) теплопроводность полупроводников, в результате которой тепло перетекает обратно от горячего спая к холодному; 2) нагрев полупроводников от Джоулевого тепла выделяемого проводником при прохожении через него тока.

Холодопроизводительность полупроводников элемента:

(1)

где – сила тока, А

- длина полупроводников, м

S – поперечное сечение проводников, м²

- коэффициент теплопроводности,

(2)

Из формулы видно, что эффект Пельтье пропорционален силе тока первой степени, а потери связанные с выделением Джоулевого тепла пропорциональны квадрату тока, следовательно существует оптимальное значение тока, обеспечивающее максимальное при заданных температурах Т_г и Т_х.

Максимальную можно определить .

(3)

Если уравнение (3) поставить в уравнение (2), то мы получим

(4)

В соответствии с (4) уравнением можно построить график зависимости холодопроизводительности термоэлемента горячего и холодного спая.

Поскольку тепло от горячего спая вводится в окружающую среду имеющей температуру Т_ос, то в пределе можно считать, что Т_г = Т_ос.

Рабочие условия термоэлемента находящегося между этими двумя крайними точками:

Превое условие – возникает тогда, когда к холодному спаю подводится большое количество тепла с которым устройство не может справиться.

Второе условие – возникает если поверхность покрыть мощной теплоизоляцией, тогда разность температур будет максимальной, а приток тепла будет равен 0.

Если в уравнение (4) , то можно определить величину _max

К^-1 – называется коэффициентом добротности проводниковых материалов.

При выборе материала стремятся получить более высокие значения коэффициента Z. Анализ показывает, что наиболее высокие значения Z имеют именно полупроводники.

Металлы имеют высокую электропроводность , но низкое значение коэффициента Пельтье.

Диэлектрики напротив имеют весьма высокий коэффициент Пельтье, но низкое значение .

Наиболее благоприятное смешение и max Z имеют полупроводники.

В состав сплавов различных полупроводников включают: кремний, германий, селен, телур, окиси сульфидов, селенидов, тебуридов и др.

Лучшие материалы имеют Z обеспечивающее , при окружающей температуре 20 ^оС. Для обеспечения необходимой холодопроизводительности термоэлектрического охладителя применяют комбинации из множеств параллельно работающих термоэлементов.

Для достижения более низких темпреатур применяют комбинации, где термоэлементы работают в две ступени: верхняя ступень охлаждения, горячий спай нижней ступени.

По энергетической эффективности термоэлектрические холодильники существенно уступают парокомпрессионным холодильным машинам. Мощность таких охладителей реально составляет от нескольких Вт до нескольких кВт. Их достаточно широкое применение обусловлено тем, что они компактны, безшумны, экологически чисты и легко встраиваются в различные электронные системы, автомобили, мебель.

Лекция 5

Электрокалорический и магнитокалорический эффекты.

В этих способах, имеющих сходную природу, используются следующие свойства твердых рабочих тел:

Диэлектрики в электрическом поле поляризуются и нагреваются. При снятии электрического поля диэлектрик охлаждается.

Магнетики (парамагнетики, которые втягиваются в магнитное поле) в магнитном поле намагничиваются и нагреваются. При снятии магнитного поля рабочее тело охлаждается.

Поляризация и намагничивание – это процессы упорядочения частиц (молекул) под воздействием поля с выделением энергии.

Деполяризация – это обратное разоупорядочение молекул. Этот процесс происходит за счет внутренней энергии рабочего тела, в результате чего оно охлаждается. Если после поляризации выделевшееся тепло отвести от рабочего тела, то в процессе деполяризации охлажденное рабочее тело способно совершить полезный холод (отвести тепло от охлаждаемого объекта).

Производительность холода электрокалорическим или магнитокалорическим способом носит периодический характер.

Принципиальная схема электрокалорического охладителя.

КД – контейнер с диэлектриками;

РН – реверсивный насос;

ИТ – источник тепла;

ТОХ – теплообменник холодный, к которому подводится тепло от охлаждающего объекта.

Q₀ – холодопроизводительность;

Q_г – колличество отводимого тепла;

Т_х – температура, при которой происходит охлаждение;

ТОГ – теплообменник горячий, в котором тепло после поляризации отводится в ОС.

Т_г – температура при которой отводится тепло.

Весь контур, в том числе и сами контейнеры наполнены теплоносителем жидким или газообразным. Процесс происходит периодически, при этом теплоноситель прокачивается через контур с помощью РН последовательно по часовой стрелке и против часовой стрелке.

Процесс и цикл может быть представлен в координатах S-T на который нанесены изолинии, напряженность электрического поля.

На рисунке представлена фаза процесса, когда движение теплоносителя идет против часовой стрелки.

Процессы 1-2 – напряженность электрического поля нарастает от значения Н₁ до Н₂, и диэлектрик в контейнере нагревается от температуры Т_х до температуры Т_г.

Процесс 2-3 – с нарастанием напряженности электрического поля от Н₂ до Н₃ происходит с отводом тепла в ОС изотермически.

Процесс 3-4 – напряженность электрического поля снимается, температура рабочего тела уменьшается от Т_г до Т_х.

В процессе 4-1 к рабочему телу подводится тепло от охлаждаемого объекта.

Эффективность электрокалорического (ЭК) и магнитокалорического (МК) эффектов характеризуется величиной ∆Т_э и ∆Т_м. Понижение температуры рабочего тела при наложении на него поля определяет напряженности.

Эта величина зависит от состава и структуры материалов (диэлектриков или магнетиков). Создание ЭК и МК устройств связано с использованием наиболее совершенных рабочих тел и конструкции устройств периодического действия.

В этих способах, в которых потери связанные с теплопроводностью и с выделением Джоулевого тепла, отсутствует (см. термоэлектрический эффект), присутствует зависимость, необходимой напряженности поля от температуры процесса. Чем выше температура Т_х и Т_г, тем более напряженное поле требуется для поляризации.

Создание высокой напряженности магнитного поля ограничивается дополнительной температурой источника магнитного поля. Поэтому в настоящее время МК охладители используются при очень низких температурах Т_х > 4 К, а Т_г < 20 К.

Для работы электрокалорических охладителей найдены материалы, для которых электрические поля могут обеспечить охлаждение при Т_х > 250 К, т.е. практически при рабочих температурах обычных ХМ. В частности используется материал – скандотандалат свинца. В последнее время в литерптуре появились сведения, что найден сплав состоящий из марганца, железа, фосфора и кремния, котрый позволяет реализовать МК устройства.

Охлаждение с помощью десорбции.

Сорбция – поглощение одного вещества другим. Поглотителем называют сорбент. Поглощаемым является сорбат.

Если сорбент – жидкость, то это абсорбция. Если сорбент – твердое тело, то это адсорбция.

Сорбция происходит с выделением тепла, десорбция – с поглощением тепла. Организовав периодический процесс сорбции и десорбции можно построить охлаждающее устройство, например: в криогенике для охлаждения гелия от температуры 13 К до 4 К, используется процесс десорбции гелия из активированного угля.

В контейнере с блоком активированного угля в начале активированный уголь поглощает гелий (Не) и выделевшееся тепло отводится к жидкому водороду, затем гелий из контейнера откачивается, происходит: десорбция, выход поглощенного гелия из активированного угля и происходит его охлаждение.

К процессам десорбции относятся развиваемые в последние годы (особенно в Японии) металлогидридные охладители, которые уже нашли первичное применение. Их принцип действия основан на способности некоторых сплавов, например: лантана (La), никеля (Ni), алюминия (Al); поглощать значительное колличество водорода (Н₂). Поглощение 1 г водорода сопровождается выделением 15 38 кДж тепла.

После отвода тепла в процессе десорбции может быть получено такое же колличество холода. Различные составы сплава металла пригодны для работы в разных диапазонах температур Т_х и Т_г. Потбором двух сплавов: для низкотемпературных и высокотемпературных – можно создать систему охлаждения.

В каждом из сплавов происходит процесс

Ме + Н₂ ⇆ МеН₂

Сплав А для низкотемпературного диапазона работ. Сплав А – это диапозон температур: от -20 ^оС до Т_ос. Сплав В – для высокотемпературного диапазона работ. Диапазон температур: от Т_ос до Т_г.

Фаза 1 – зарядка устройства;

Фаза 2 – производство холода.

Устройство состоит из: замкнутого пространства из двух, соединенных между собой каналом контейнера. В одном находится сплав В, в другом сплав А.

Контейнер представляет собой массив металла через который проходят трубки для теплообмена, между металлом и теплоносителями, обычно жидкими, и в котором выполнены каналы для контакта поверхности металла с газообразным водородом. Все устройство наполнено газообразным водородом. Периодический процесс разделяется на 2 фазы.

В превой фазе к В подводится горячий теплоноситель, металл нагревается, происходит десорбция водорода, давление водорода в устройстве повышается, освободившийся водород отсасывается к А, который охлаждается теплоносителем – ОС, и происходит сорбция водорода в А.

Во второй фазе потоки теплоносителей переключают: к В подключают теплоноситель ОС, к А подключают теплоноситель от охлаждаемого объекта. От подведенного тепла из А происходит десорбция, водород переходит в В, где происходит сорбция и тепло отводится в окружающуу среду.

Если выполнить параллельно работающих устройства, то при соответственном переключении потоков холод будет вырабатываться непрерывно.

Преимущества способа:

а) Использует в качестве источника энергии – тепловую.

б) Может работать на бросовом тепле промышленных предприятий.

в) Экологичеки чист.

г) Нет движущихся частей, кроме насосов.

д) Энергетическая эффективность высокая.

е) Может работать как холодильная машина, так и как тепловой насос.

Существует ряд других методов получения низких температур: некоторые химические реакции и электро-химические процессы происходящие с поглощением тепла, но эти эффеты пока не получили практического применения и поэтому нами не рассматриваются.