5. Способы получения низких температур

В холодильной технике отвод теплоты от охлаждаемого тела осуществляют при температурах ниже, чем у окружающей среды. Теплоту передают к рабочему телу (холодильному агенту), температура которого заранее понижена тем или иным способом.

Понизить температуру рабочего тела можно на основе следующих известных физических явлений, сопровождающихся поглощением теплоты [8]:

1) расширения газов и паров;

2) термоэлектрического эффекта;

3) фазового перехода вещества;

4) десорбции газа;

5) адиабатического размагничивания диэлектриков.

Современная холодильная техника для получения умеренно низких температур использует первые три явления.

1. Расширение газов

При адиабатическом расширении (без подвода и отвода теплоты) с осуществлением внешней работы внутренняя энергия и температура рабочего тела уменьшаются. Максимальное изменение температуры достигается при обратимом изоэнтропическом расширении^*. При этом дифференциальный эффект изменения температуры рабочего тела выражается соотношением

.

Для идеального газа ,

где k – показатель адиабаты (k = 1,66; 1,4; 1,33 – для одно- , двух- и многоатомных идеальных газов соответственно).

Интегральный эффект при обратимом изоэнтропическом расширении рабочего тела от давления  до  

,

или после преобразования (считая k = const)

;

,

где T1 и Т2 – температуры рабочего тела до и после расширения.

На практике процессы расширения обычно протекают с подводом внешней теплоты, что обусловливает их политропический характер. В этом случае для идеального газа интегральный эффект определяют по следующим формулам:

;

,

где m – показатель политропы ; C - теплоемкость в политропическом процессе.

Обратимым изоэнтропическим расширением рабочего тела является процесс, при котором имеют место обратный и прямой циклы Карно, происходящие без рассеяния (диссипации) энергии, т.е. без изменения энтропии системы.

Расширение газов и паров имеет также место при дросселировании.

Дросселирование происходит при прохождении пара или газа через суженное отверстие, вентиль, пористую перегородку и сопровождается изменением температуры (эффект Джоуля - Томсона).

Если дросселирование происходит без обмена энергией с окружающей средой и без изменения кинетической энергии потока, то энтальпии до и после дросселирования равны . Вследствие необратимости дросселирование сопровождается ростом энтропии . Дифференциальный эффект Джоуля – Томсона

,

а интегральный .

По величине температурного эффекта дросселирование уступает обратимому адиабатическому расширению.

Еще одним способом охлаждения, основанным на необратимом расширении газов и паров, является применение вихревой трубы [9]. Эффект температурного разделения газа, наблюдающийся в вихревой трубе, был впервые открыт Ж. Ранком в 1933 г. В вихревую трубу (рис. 2.25) через тангенциальное сопло 1 подводится сжатый воздух. В трубе он завихряется в пространстве и разделяется на два потока: центральный и периферийный. Высокая тангенциальная скорость потока вблизи сопла вызывает перепад давлений в поперечном сечении трубы под действием центробежной силы. Из-за торможения периферийного потока газа о стенки трубы на пути к дросселю его тангенциальная скорость снижается, центробежная сила ослабевает, давление падает, и газ расширяется к центру. Расширяясь, газ поглощает теплоту из центрального потока и снижает его температуру.

При давлении сжатого газа, подходящего к соплу трубы, всего лишь в 0,2-0,4 МПа представляется возможным получать осевой поток холодного газа, температура торможения которого на  ниже, чем  начальная температура торможения входящего в сопло газа. Абсолютное снижение температуры в холодном потоке

;

где ,  – температура торможения на входе в сопло и на выходе из холодной трубы; - приведенная адиабатная скорость потока при его расширении с давления на входе  до давления на выходе дросселя ;  - эмпирический коэффициент скорости, зависящий от конструкции трубы ;  – площади сечения соответственно дросселя, трубы, сопла;

 ( – массовые расходы холодного и подводимого к соплу воздуха); 

;  – относительная плотность газа в дросселе, т.е. отношение плотности газа в диафрагме к плотности заторможенного потока перед соплом;

.

Эффективность вихревой трубы выше эффективности обычного дросселирования, а простота конструкции обусловливает перспективы ее применения в холодильной технике.