3. Физические принципы понижения температуры
Любой процесс, сопровождающийся поглощением тепла, может быть использован для охлаждения. Охлаждение достигается с помощью разнообразных физических процессов.
Охлаждение возможно за счет отдельных процессов (таяние льда, испарение жидкого азота, сублимация углекислого газа и др.), но он прекращается после выравнивания температур. На практике чаще применяется циклические процессы с возобновлением рабочего вещества, которые могут быть реализованы в обратном термодинамическом цикле.
Холодильная машина – устройство для понижения температуры рабочего вещества (хладагента. Температура рабочего вещества может понижаться при помощи фазовых превращений (испарения, плавления, сублимации), растворения соли, десорбции газов, расширения сжатого газа, дросселирования газа (эффект Джоуля-Томсона), посредством вихревого эффекта, размагничивания твердого тела, посредством термоэлектрического эффекта (эффект Пельтье) и других физических процессов.
Рассмотрим некоторые из этих процессов.
1) Дросселирование (эффект Джоуля-Томсона).
Дросселированием называют процесс прохождения жидкости или газа через сужение или какое-либо местное сопротивление. Дросселирование жидкостей используется в парокомпрессионных, абсорбционных и пароэжекторных холодильных машинах.
2) Расширение в вихревой трубе (эффект Ранка-Хильша).
Французский инженер-металлург Ж. Ранке в конце 20-х годов XX века обнаружил необычное явление: в центре струи газ, выходящий из циклона, имел более низкую температуру, чем исходный. Уже в конце 1931 г. Ранке получает первый патент на устройство, названное им "вихревой трубой" (ВТ), в котором осуществляется разделение потока сжатого воздуха на два потока - холодный и горячий.
Рис.
1. Вихревая труба Ранке.
ВТ могут работать с любыми газообразными рабочими телами (например, с водяным паром) и при самых разных перепадах давлений (от долей атмосферы до сотен атмосфер). Весьма широк и диапазон расходов газа в ВТ (от долей м3/час до сотен тысяч м3/час), а значит и диапазон их мощностей. При этом с увеличением диаметра ВТ (то есть с увеличением ее мощности) повышается и эффективность ВТ. Когда ВТ используют для получения холодного и горячего потоков газа одновременно, трубу делают неохлаждаемой. Такие ВТ называют адиабатными. А при использовании только холодного потока, для повышения холодопроизводительности необходимо охлаждать горячую часть трубы. Воздух вблизи оси трубы охлаждается, а находящаяся на периферии нагревается. Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать дроссельным вентилем. При этом изменяются не только доли теплого и холодного потоков воздуха, но и их температуры. Температуру холодного воздуха можно получить на 30-80 градусов ниже начальной температуры. Наиболее низкие температуры холодного потока наблюдаются при доле холодного воздуха около 30 %.
Большие необратимые потери при расширении в вихревой трубе приводят к высоким энергетическим затратам. Благодаря простоте конструкции данный метод применяется на практике в тех случаях, когда энергетическая сторона вопроса не столь существенна, например, при периодической потребности в охлаждении. Данный способ получения низких температур применяется в вихревых холодильных машинах.