Способы получения низких температур. Сверхнизкие температуры

В настоящее время в термических цехах широко распространен процесс обработки холодом, разработанный чл.-кор. АН СССР С. С. Штейнбергом и проф. А. П. Гуляевым. Обработка стали при температурах ниже 0°С применяется для превращения остаточного аустенита в мартенсит с целью изменения свойств стали, повышения твердости, увеличения объема и улучшения магнитных характеристик .

Имеется несколько методов достижения низких температур. Наиболее простой метод состоит в том, что охлаждают спирт, ацетон или бензин твердой углекислотой. Кусочки сухого льда опускают в эти жидкости до тех пор, пока они не будут плавать на поверхности, что соответствует достижению охлаждаемой жидкостью температуры -78° С. Детали могут охлаждаться не­посредственно в охлажденной жидкости или в сосуде, который охлаждается данной жидкостью 1. При этом расходуется только сухой лед, который добавляют в жидкости через определенный промежуток времени. Расход углекислоты составляет 800 г на 1 л спирта. Время охлаждения садки 20 кг не превышает 50-60 мин. В другом случае охлаждение деталей производят в жидком воздухе, жидком кислороде или жидком азоте: здесь достигается более глубокое охлаждение (от -180 до-190° С), которое для большинства сталей является излишним. Жидкий азот или жидкий кислород доставляют на завод-потребитель в специальных сосудах и заливают в бак с хорошей тепловой изоляцией или в холодильник. Применяют также специальную установку, в которой жидкий воздух или жидкий кислород циркулируют по змеевику. Температура в охладителе регулируется количеством подаваемого воздуха или кислорода. В последнее время применяют холодильные машины, в которых охлаждение достигается в результате затраты механической или тепловой энергии. В этих машинах применяют жидкости, называемые холодильными агентами, или хладагентами, которые при низкой температуре переходят в парообразное состояние и, наоборот, под действием сжатия и охлаждения могут сгущаться. Промышленные холодильные машины представляют собой главным образом компрессионные машины, в которых получение холода основано на сжатии паров хладагента, обращении их в жидкость и последующем испарении.

Испарение летучей жидкости сопровождается поглощением из окружающей среды большого количества тепла, необходимого для парообразования (скрытая теплота парообразования).

Холодильные машины имеют следующие основные части: испаритель-рефрижератор, или охладитель, в котором жидкий хладагент, превращаясь в пар, вызывает охлаждение; компрессор, в котором происходит повышение давления паров хладагента, засасываемых из испарителя-рефрижератора; конденсатор, в котором сжатые пары хладагента переходят в жидкое состояние под действием охлаждающей воды или другого охладителя; вентиль для дозирования поступления жидкого хладагента в ис­паритель и, следовательно, регулирующий давление и температуру испарения.

Схема работы холодильной машины представлена на рис. 108. Компрессор / отсасывает из испарителя 2 пары хладагента с низкой температурой и сжимает их; при этом температура паров хладагента повышается. Затем в конденсаторе 3 тепло переходит от нагретых паров хладагента к воде (или к другому охладителю). Хладагент из конденсатора в жидком состоянии поступает через регулирующий вентилятор 4 в испаритель. При помощи вентиля можно поддерживать давление, отвечающее требуемой температуре парообразования. Жидкий хладагент, испаряясь в испарителе, понижает температуру окружающей среды-воздуха, незамерзающего раствора поваренной соли или других веществ.

Испарившийся хладагент снова засасывается компрессором и таким образом циркулирует по замкнутой системе.

В холодильных машинах широкое применение в качестве хладагентов получили фреоны-галоидные производные насыщенных углеводородов-метана и этана, в которых водород полностью или частично заменен хлором и фтором.

Все хладагенты можно разбить на четыре группы. Основные хладагенты и температуры охлаждения, которых можно достичь при их применении, приведены в табл. 8. Обычно хладагенты разливают в стальные балоны.

В промышленности получили распространение холодильные машины с каскадным циклом, при котором две шины или более работают совместно. Каскадный метод основан на последовательном сжижении нескольких газов с понижаю щимися температурами кипения, причем вследствие испарения под пониженным давлением одного газа производится конденсация газа с более низкой температурой кипения (рис. 108, б).

В первом цикле хладагентом может быть аммиак с температурой кипения -33° С, во втором цикле - этилен с температурой кипения -103° С, конденсирующийся под давлением в аммиачном испарителе. Этилен, испаряясь при температуре -103° С, сжижает кислород, являющийся хладагентом третьего цикла и испаряющийся при температуре -183° С, и т. д.

Дросселирование

Основная статья: Эффект Джоуля - Томсона

Не является источником холода, а лишь реализует процесс снижения температуры. Источник холода это процесс в котором происходит изменение энтальпии. Дросселирование это изоэнтальпийный процесс.

Править]Детандирование

Основная статья: Детандер

Детандирование - адиабатное расширение (происходит от фр.). Различаются детандеры: поршневые, турбо, роторные и др. типов. Детандер является одним из основных источников «холода» (наряду с компрессором в криогенном цикле). Адиабатный КПД поршневых детандеров может достигать 90 % и более, у турбодетандеров при высоких температурах указанный параметр не превышает 70 % (при снижении рабочего диапазона температур КПД снижается).

Похожая информация:

1. D Определение порядка обеспечения получения гражданами гарантированного объема бесплатной медицинской помощи

Искусственное получение низких температур основано на различных физических принципах:

— фазовый переход вещества;

— адиабатическое дросселирование газа;

— адиабатическое расширение газа;

— вихревой эффект;

— термоэлектрический эффект

и других.

Фазовый переход наблюдается при плавлении, кипении, испарении, сублимации.

Плавление — процесс перехода твердого тела в жидкое состояние.

Кипение (испарение ) переход вещества из жидкого состояния в парообразное. Причем в процессе кипения наблюдается парообразование во всем объеме жидкости, а при испарении …
только с открытой поверхности.

Сублимация происходит при переходе твердого тела сразу в газообразное, минуя жидкую фазу.

Процессы фазового перехода характеризуются соответствующими температурой и давлением. Они протекают с поглощением значительного количества теплоты.

Для охлаждения до температур не ниже 0°С может быть применен водный лед. Его удельная теплота плавления при атмосферном давлении равна

335 кДж/кг.

Более низкие температуры плавления получают, смешивая водный лед с некоторыми солями, например с хлоридом кальция (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Диаграмма состояния системы хлорид кальция - лед

Самая низкая температура плавления -55°С достигается при массовой концентрации x=29,9% хлорида кальция в смеси с водным льдом. Данное состояние компонентов соответствует криогидратной (эвтектической) точке.

При перевозке мороженого часто используют твердую углекислоту – «сухой лед» (СО 2 – диоксид углерода), имеющую при атмосферном давлении температуру сублимации -78,5°С и удельную теплоту фазового перехода (из твердого состояния в газообразное) 574 кДж/кг.

В современной холодильной технике широко используется получение низких температур при кипении различных веществ. Эти вещества называют рабочими телами или хладагентами. Температура кипения хладагента зависит от давления, что позволяет, используя одно и то же вещество, получать низкие температуры в широком диапазоне. Используя различные хладагенты, можно получать требуемые интервалы температур.

Процесс испарения применяют, например, для понижения температуры воды или влажных поверхностей.

Адиабатическое дросселирование осуществляется при прохождении вещества (жидкости или газа) через отверстие малого сечения. При этом происходит переход с высокого давления на низкое. Процесс протекает быстро, поэтому теплообмен с окружающей средой практически не происходит и энтальпия вещества не изменяется. Полезная работа не совершается, так как работа проталкивания переходит в теплоту трения. Это вызывает частичный переход жидкости в пар и приводит к необратимости процесса.

При адиабатическом дросселировании реального газа, вследствие изменения внутренней энергии, производится работа против сил взаимодействия молекул. Это приводит к изменению температуры газа. Изменение температуры реального газа при дросселировании называется эффектом Джоуля-Томсона.

В зависимости от начального состояния реального газа перед дросселем температура его при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться и оставаться без изменения.

Практически адиабатическое дросселирование большинства газов, за исключением водорода и гелия, в области, близкой к критической, приводит к понижению температуры.

Адиабатическое расширение газа обеспечивает получение низких температур при любом состоянии газа, при этом выполняется полезная внешняя работа. Адиабатическое расширение газа в детандере (расширителе) используют для получения криогенных температур.

Вихревой эффект (эффект Ранка) достигается в вихревых трубах при подаче в них по тангенциальному вводу сжатого воздуха, имеющего температуру окружающей среды. Скорость вращения воздуха в трубе обратно пропорциональна радиусу. Центральная часть вращающегося потока имеет бóльшую скорость, чем периферийная. Температура воздуха у стенки трубы выше, а в центре ниже, чем температура подаваемого в трубу воздуха.

Если разделить центральную и периферийную части истока, то можно получить потоки воздуха с низкой и высокой температурами.

Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье) наблюдается при прохождении постоянного электрического тока через цепь, состоящую из спаянных между собой двух разнородных материалов. Один из спаев имеет низкую температуру, а другой - высокую. Таким образом, осуществляя этот физический процесс, можно получить источник требуемой низкой температуры, необходимый для понижения температуры тела, т.е. для его охлаждения.

Эффективность данного способа получения низких температур зависит от максимальной разности температур между горячим и холодным спаями. А это связано в первую очередь с видом и качеством используемых материалов и силой проходящего тока.

Вопросы для самопроверки

1 Что такое естественное и искусственное охлаждение?

2 Какие способы получения низких температур знаете?

3 Что такое фазовый переход? Дайте краткую характеристику каждому виду фазового перехода.

4 Поясните особенности процессов кипения и испарения?

Данные, приведенные в табл. 18, показывают, что сжиженные газы позволяют получить температуры вплоть до 4,21 К (жидкий гелий).

Если заставить жидкий гелий кипеть под пониженным давлением (для этого нужно откачивать пары над ним), то его температуру можно понизить примерно до 1 К. Рекордно низкая температура, полученная таким образом, равна 0,69 К. Дальнейшее понижение температуры жидкого гелия откачкой его паров оказывается практически невозможным, так как упругость паров гелия в этой области температур становится очень малой. Если при 0,7 К упругость паров гелия равна то при 0,5 К она становится равной а при Имея в виду легкость, с какой испаряется жидкий гелий (тйплота испарения ясно, что насосы не могут «успевать» откачивать пары до столь малых давлений.

Поэтому для получения еще более низких температур (их называют сверхнизкими) используется другой способ - так называемый магнитный метод охлаждения. Сущность его легко понять из второго начала термодинамики.

В качестве хладоагента в этом методе используется особый вид веществ - так называемые парамагнитные соли. Это сложные химические соединения, примером которых может служить соль (железоаммониевые квасцы). Вещества эти замечательны тем, что каждая их молекула обладает магнитным моментом, т. е. ведет себя как свободный маленький постоянный магнит. В обычных условиях, т. е. в отсутствие магнитного поля, эти микроскопические магнитики ориентированы совершенно беспорядочно из-за тепловых движений, в которых участвуют молекулы соли (рис. 144, а). С этим магнитным беспорядком, так же как с беспорядком тепловым, связана определенная энтропия.

Если поместить парамагнитное вещество в магнитное поле, то магнитные моменты частично повернутся в направлении поля, так Что в их расположении появится некоторый порядок (рис. 144, б). Этот процесс называется намагничиванием. Значит, магнитное поле приводит к тому, что степень беспорядка (магнитного) уменьшается. Уменьшается поэтому и увязанная с ним энтропия.

Представим себе теперь, что парамагнитное вещество намагничивается в адиабатных условиях (обратимым образом). Энтропия в этом случае остается, как мы знаем, постоянной. Но так как магнитная часть энтропии при намагничивании уменьшается, то тепловая часть должна соответственно увеличиваться, т. е. должна повыситься температура. Наоборот, если предварительно намагниченный образец адиабатно размагнитить, то он должен охладиться: вызванное размагничиванием увеличение магнитного беспорядка, а значит, и связанной с ним энтропии должно скомпенсироваться уменьшением тепловой части энтропии, что и происходит при охлаждении. Размагничивание играет в магнитном методе такую же роль, какую при охлаждении газа играет его расширение.

Опыт с магнитным охлаждением ставится так: сначала парамагнитную соль охлаждают с помощью жидкого гелия до возможно более низкой температуру. Затем, не прерывая контакта соли с жидким гелием, ее намагничивают в возможно более сильном магнитном поле. Выделяющееся при этом тепло поглощается жидким гелием, так что намагничивание производится в изотермических условиях. После этого соль изолируют от жидкого гелия и размагничивают ее (адиабатно), удаляя из магнитного поля.

В результате соль оказывается охлажденной. Этим способом удается получить рекордно низкие температуры - порядка ста тысячных долей градуса.

Полученная таким образом охлажденная соль используется для охлаждения других исследуемых тел. Существуют различные способы создания теплового контакта между солью и исследуемыми образцами.

РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА

1.1 Способы получения низких температур

В холодильной технике отвод теплоты от охлаждаемого объекта необходимо осуществлять при температурах ниже температуры окружающей среды. Как правило, теплоту передают рабочему веществу (холодильному агенту), температура которого заранее понижена до необходимого уровня тем или иным способом.

На практике для получения низких температур и охлаждения рабочего вещества используют следующие способы: фазовые переходы, расширение газов и паров, термоэлектрический эффект, десорбцию газов и адиабатическое размагничивание парамагнетиков.

1.1.1 Фазовые переходы

С целью получения температур ниже температуры окружающей среды используются такие фазовые переходы, как плавление, растворение солей, кипение и сублимация.

Скрытая теплота плавления водного льда использовалась с целью охлаждения

объектов до температур не ниже 0 С с древних времен. При достижении температуры плавления скорость движения молекул твердого вещества в пределах жесткой молекулярной структуры максимальна. При этой температуре любое дополнительное количество теплоты, полученное твердым веществом, вызывает его частичное плавление. При подаче достаточного количества теплоты вся масса твердого вещества переходит в жидкую фазу, в то время как температура остается постоянной. Вследствие поглощения теплоты плавления температура охлаждаемого объекта снижается.

С целью снижения температуры плавления вместо обычного водного льда можно использовать охлаждающие смеси, состоящие из раздробленного снега или льда с солью. В качестве второго компонента смеси наиболее широкое распространение получили хлорид натрия и хлорид кальция. При изменении концентрации охлаждающей смеси изменяется температура плавления. Например, смесь льда с хлоридом кальция при содержании 29,87% по массе хлорида кальция плавится при температуре -55 С.

Раствор, концентрации которого соответствует наиболее низкая температура плавления, называется эвтектическим (легкоплавящимся). Эвтектический раствор, залитый в герметичную емкость и замороженный, представляет собой аккумулятор холода (зеротор). При замораживании эвтектических растворов от них отводится энергия и они как бы аккумулируют холод, а при плавлении они поглощают теплоту и снижают температуру охлаждаемого объекта.

Процессы растворения некоторых солей в воде также сопровождаются поглощением определенного количества теплоты, что можно использовать с целью охлаждения. В настоящее время данный способ широкого практического применения не получил.

Одним из наиболее эффективных способов получения холода является кипение жидкостей при низких, отрицательных температурах кипения. Данный способ получения холода получил наиболее широкое применение и используется в парокомпрессионных, эжекторных, абсорбционных холодильных машинах, в том числе и бытового назначения.

При переходе вещества из жидкой фазы в пар его молекулы получают достаточно энергии для преодоления сил взаимного притяжения и силы тяжести. Энергети-

ческие затраты для совершения внутренней работы по преодолению этих сил очень велики, поэтому при переходе из жидкой фазы в пар вещество поглощает значительно больше теплоты, чем при переходе из твердой фазы в жидкую.

Скрытая теплота парообразования и температура кипения зависят от давления и теплофизических свойств холодильных агентов. Для получения умеренно низких температур (от 273 до 243 К) используют аммиак с нормальной температурой кипения - 33,4 С, фреоны, например, фреон-12 с температурой кипения -29,7 С. Для получения криогенных температур от 120 до 4 К применяют криогенные жидкости, среди которых наибольшее распространение получили жидкий азот с температурой кипения 77 К (-196 С). Наиболее низкой температурой кипения, равной 4 К (-269 С) обладает гелий, который применяется для получения сверхнизких температур.

С целью получения низких температур получил применение фазовый переход веществ из твердого состояния в парообразное, называемый сублимацией. Твердое вещество сублимирует при температуре ниже температуры плавления. Процесс сублимации протекает подобно процессу испарения, но с гораздо меньшей скоростью. Молекулы, обладающие большой скоростью, преодолевают действие сил межмолекулярного притяжения и силы тяжести и вылетают из массы вещества в окружающую среду, превращаясь при этом в молекулы пара.

Примером использования сублимации для получения низких температур может служить охлаждение с помощью твердой углекислоты (сухого льда). При атмосферном давлении температура сублимации углекислоты равна -78 С, теплота сублимации - 573 кДж/кг. При создании над сухим льдом вакуума можно получить температуру до -100 С.

1.1.2 Расширение газов и паров

Расширение газов и паров с целью получения холода может производиться двумя способами:

1) расширение с осуществлением внешней работы;

2) дросселирование.

При адиабатическом расширении с осуществлением внешней работы внутренняя энергия и температура рабочего вещества уменьшаются. Максимальное изменение температуры достигается при обратимом изоэнтропическом расширении. При этом дифференциальный эффект изменения температуры выражается соотношением:

			Р S
где сp			Удельная теплоемкость при постоянном давлении.
			Практически расширение предварительно сжатого газа происходит в газовом

двигателе или детандере, который одновременно совершает внешнюю работу. Внешняя работа может быть использована для любых целей, например, для перекачки жидкостей или нагнетания газов. Расширение сжатого газа в детандере происходит без теплообмена с окружающей средой, и совершаемая при этом газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается. Расширение с осуществлением внешней работы широко применяется в воздушных детандерных холодильных машинах.

Дросселированием называется расширение рабочего вещества при прохождении через суженное отверстие, вентиль, пористую перегородку и другие виды дроссельных устройств, сопровождающеся изменением температуры. При дросселировании работа, совершаемая газом, затрачивается на преодоление трения в отверстии дрос-

селирующего устройства и переходит в тепло, в результате чего процесс расширения происходит при постоянной энтальпии.

Изменение температуры при дросселировании реальных газов объясняется тем, что энтальпия газа является функцией не только температуры Т, но и давления Р:

u внутренняя потенциальная энергия газа, которую необходимо затратить на преодоление сил притяжения между молекулами;

р v объемная энергия газа.

Энергия, необходимая для расширения газа, т.е. преодоления сил сцепления между молекулами, при адиабатическом дросселировании, когда нет притока тепла из окружающей среды, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа. Так как энтальпия до и после дросселирования (индексы 1 и 2 относятся соответственно к состояниям газа перед дросселированием и после него) остается постоянной, выражение (2) можно записать в следующем виде:

сv Т1 + u1 + р1 v1 = сv Т2 + u2 + р2 v2 ,

Выражение (3) позволяет установить возможное поведение реального газа при дросселировании: если р 2 v 2 р 1 v 1 , тоТ 1 -Т 2 0 и в результате дросселирования тем-

пература газа понижается; если р 2 v 2 р 1 v 1 , ноu 2 u 1 (р 1 v 1 р 2 v 2 ), то дроссели-

рование также приводит понижению температуры Т 2 Т 1 . Если в последнем случаеu 2

u 1 (р 1 v 1 р 2 v 2 ) , то после дросселирования температура газа повышается, т.е.Т 2

Т1 .

Явление изменения температуры реального газа при его дросселировании получило название дроссельного эффекта или эффекта Джоуля - Томсона. Дроссельный эффект считается положительным, если при дросселировании газ охлаждается и отрицательным, если температура газа повышается. Большинство газов обладают положительным дроссельным эффектом и при дросселировании охлаждаются. Отрицательным дроссельным эффектом обладают водород и гелий, которые, в отличие от других газов, при дросселировании нагреваются.

С целью получения низких температур применяется также вихревой эффект , который осуществляется в вихревых трубах. Схема вихревой трубы показана на рисунке 1.

Рис.1 Принципиальная схема вихревой трубы:

1 - дроссельный вентиль; 2 - холодный конец трубы; 3 - сопло; 4 - диафрагма; 5 - теплый конец трубы.

Через тангенциальное сопло вихревой трубы подводится сжатый воздух. В трубе происходит его закручивание в пространстве, которое с одной стороны ограничено диафрагмой с центральным отверстием, а с другой - дроссельным вентилем. Через центральное отверстие некоторая часть воздуха выходит, имея температуру ниже начальной, а через дроссельный вентиль - оставшаяся часть потока в нагретом состоянии.

Количество воздуха в горячем и холодном потоках и их температуры можно регулировать открыванием вентиля. Температуры торможения разделенных потоков су-

щественно отличаются от начальной температуры торможения всего потока, прошедшего через сопло.

С термодинамической точки зрения процессы, протекающие в вихревой трубе, сводятся к тому, что холодный воздух отдает кинетическую энергию остальной массе воздуха и поэтому охлаждается. Другая часть воздуха воспринимает эту энергию и выходит в нагретом состоянии. В вихревой трубе воздух охлаждается в результате необратимого расширения, что обусловливает низкую энергетическую эффективность этого способа охлаждения.

Дросселирование как способ получения низких температур широко применяется в холодильной технике. С целью снижения давления и температуры холодильного агента процесс дросселирование используется в компрессионных, абсорбционных, эжекторных холодильных машинах.

Вихревой эффект нашел практическое применение в вихревых охладителях.

1.1.3 Термоэлектрический эффект

Действие термоэлектрических охлаждающих устройств основано на эффекте Пельтье. Эффект Пельтье и два других, сопутствующих процессу охлаждения термоэлектрических эффекта - Зеебека и Томсона, обусловлены взаимным превращением электрической и тепловой энергии.

Сущность термоэлектрического эффекта Пельтье заключается в следующем: при протекании постоянного тока I через контакт двух разнородных полупроводников или проводников в местах контакта в единицу времени поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока некоторое количество теплоты. Поглощаемая или выделяемая в этом процессе теплота Пельтье пропорциональна силе тока:

элемента показана на рисунке 2.

Рис. 2 Схема термоэлектрического элемента:

N, P – полупроводниковые ветви термоэлемента; А, В – металлические коммутационные пластины (спаи); Е – источник постоянного тока.

Два полупроводника с n- и р-проводимостью образуют цепь, по которой проходит постоянный ток от источника Е. В результате поглощения теплоты Пельтье на одних спаях и выделения на других устанавливается разность между температурами спаев. Если температура Тх на холодном спае ниже температуры охлаждаемого объекта То, а температура на горячих спаях Тг выше температуры окружающей среды Т, то

термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины, перенося теплоту от холодного источника к окружающей среде. При этом помимо полезно используемого холода Qо к холодным спаям в результате теплопроводности поступает поток теплоты от горячих спаев, уменьшая возможность снижения температур.

Необратимые потери, сопутствующие обратимым термоэлектрическим эффектам, ограничивают достижимый перепад между температурами спаев и снижают термодинамическую эффективность термоэлектрического генератора холода.

Термоэлектрическое охлаждение в настоящее время нашло широкое применение во многих отраслях современной техники, в том числе и в бытовых холодильниках и кондиционерах.

1.1.4 Десорбция газов

Десорбцией называется процесс выделения поглощенных веществ из адсорбента. Одним из методов десорбции является вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов посредством агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем поглощенные компоненты.

При удалении адсорбированного газа с поверхности поглотителя в процессе десорбции происходит поглощение теплоты, вследствие чего температура поглотителя снижается.

С помощью десорбции в криогенной технике получают температуры порядка нескольких градусов. В технике умеренного холода метод охлаждения с помощью десорбции не нашел распространения вследствие значительных необратимых потерь.

1.1.5 Адиабатическое размагничивание парамагнетиков

Адиабатическое размагничивание или магнитно-калорический эффект реализуется в термомагнитных системах. При адиабатическом размагничивании парамагнитных веществ, также как при адиабатическом расширении газа, работа против внешних сил совершается за счет затраты внутренней энергии системы и поэтому приводит к резкому снижению температуры.

Для охлаждения этим способом парамагнитное вещество (обычно брусок парамагнитной соли) выдерживается при постоянной температуре в условиях глубокого вакуума, например, в ванне кипящего гелия. Вещество находится под действием сильного магнитного поля. При выключении поля происходит адиабатическое размагничивание, позволяющее охладить парамагнитное вещество до температуры, близкой к абсолютному нулю. В настоящее время созданы магнитные холодильные машины, использующие этот эффект для получения температур ниже 1К.

В настоящее время адиабатическое размагничивание используют для охлаждения до сверхнизких температур экспериментальных образцов в лабораторных условиях.

Охлаждение - процесс понижения температуры тела. Для охлаждения нужно иметь два тела: охлаждаемое и охлаждающее - источник низкой температуры. Охлаждение продолжается, пока между телами происходит теплообмен. Источник низкой темпера­туры должен функционировать постоянно, так как охлаждение следует осуществлять непрерывно. Это возможно при достаточно большом запасе охлаждающего вещества или если постоянно вос­станавливается его первоначальное состояние. Последнее широко применяется в холодильной технике с использованием различ­ных холодильных машин.

Различают естественное и искусственное охлаждение. При ес­тественном охлаждении теплота от более нагретого тела перехо­дит к менее нагретому (среде). Искусственное охлаждение предпо­лагает получение температуры охлаждаемой среды ниже темпера­туры окружающей среды. Низкие температуры получают путем физических процессов, при протекании которых происходит по­глощение извне теплоты без повышения температуры тела.

К основным физическим процессам, сопровождающимся по­глощением теплоты, относятся фазовые переходы вещества: плавление или таяние при переходе тела из твердого состояния в жидкое; испарение или кипение при переходе тела из жидко­го состояния в парообразное; сублимация или возгонка при пе­реходе тела из твердого состояния непосредственно в газооб­разное.

Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических процессах, например адиабатическом дросселирова­нии газа с начальной температурой меньшей, чем температура верхней точки инверсии; адиабатическом расширении газа с от­дачей полезной внешней работы; вихревом эффекте.

Фазовый переход вещества при плавлении или таянии, испа­рении или кипении, сублимации или возгонке происходит при соответствующих температурах и давлениях с поглощением зна­чительного количества теплоты.

Для получения низких температур (но не ниже 0°С) может быть применен водный лед, который в условиях атмосферного давления плавится при 0°С и имеет сравнительно большую вели­чину удельной теплоты плавления - 335 кДж/кг. Если давление ниже атмосферного, сублимация водного льда происходит при температуре ниже 0°С, что используют в сублимационной сушке пищевых продуктов.

Более низкие температуры плавления можно получить, сме­шивая лед с некоторыми солями, например с хлоридом кальция (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма состояния системы

хлорид кальция - лед

Самая низкая температура плавления смеси хлорида кальция со льдом достигается в криогидратной (эвтектической) точке, которая равна -55 °С при массовой концентрации хлорида кальция ξ = 29,9 %. Источником низкой температуры может служить твердый диоксид углерода (сухой лед), имеющий при атмосферном давлении темпе­ратуру сублимации -78,5 °С и удельную теплоту 574 кДж/кг.

Более широко распространено получение низких температур с использованием процесса кипения. С помощью одного вещества можно получить определенный интервал температур, поскольку температура его кипения зависит от давления: с уменьшением давления температура кипения понижается, и наоборот. С помощью различных веществ можно получать низкие температуры в широ­ком диапазоне. Процесс испарения используют, например, для понижения температуры воды или влажных поверхностей.

Адиабатическим дросселированием называют процесс необрати­мого перехода газа (жидкости) с высокого давления на низкое (рас­ширение) при прохождении через сужение поперечного сечения (перегородка с отверстием, пористая перегородка и т.д.) без совершения внешней работы и отдачи или получения теплоты.

Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окру­жающей средой практически не происходит и энтальпия (тепло­содержание) вещества не изменяет­ся. Полезная работа не совершает­ся, так как работа проталкивания пе­реходит в теплоту трения. Энталь­пия - это функция состояния, рав­ная сумме внутренней и потенциаль­ной энергии давления (PV), где Р - давление; V - объем.

При адиабатическом дросселиро­вании реального вещества в отличие от идеального вследствие изменения внутренней энергии производится работа против сил взаимодействия молекул. Это приводит к изменению температуры вещества. Изме­нение температуры реального вещества при дросселировании на­зывается эффектом Джоуля -Томсона .

В зависимости от начального состояния реального вещества перед дросселем температура его при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться и оставаться без изменения.

Точка, соответствующая начальному состоянию вещества, в которой его температура при адиабатическом дросселировании не изменяется и, следовательно, изменяется знак температурного эффекта, называется точкой инверсии , а температура, соответ­ствующая этой точке, - температурой инверсии. Точку инверсии можно определить, построив в координатах TV (температура - объем вещества) изобару и проведя к ней касательную из начала координат. При начальных температурах газа ниже температуры инверсии он при дросселировании будет охлаждаться, выше - нагреваться.

Большинство газов, за исключением водорода и гелия, имеют довольно высокую температуру инверсии (600°С и выше), поэто­му практически для всех газообразных веществ в области, близ­кой к критической, адиабатическое дросселирование приводит к понижению температуры.

При адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внеш­ней работы получение низких температур возможно при любом его состоянии, так как температура изменяется в сторону понижения. В отличие от адиабатического дросселирования в этом случае эффект возможен и для идеального газа, при этом понижение температу­ры в процессе адиабатического расширения при прочих равных условиях бывает более значительным, чем при дросселировании.

Адиабатическое расширение газа в детандере (расширителе) используют для получения криогенных температур.

Вихревой эффект достигается в вихревых трубах при подаче в них по тангенциальному вводу сжатого воздуха, имеющего темпе­ратуру окружающей среды. Скорость вращения воздуха в трубе обратно пропорциональна ее радиусу. Центральная часть вращаю­щегося потока имеет большую скорость, чем периферийная, вслед­ствие чего температура воздуха у стенок трубы выше, а в центре ниже, чем температура подаваемого в трубу воздуха. Можно полу­чить потоки воздуха с низкой и высокой температурами, если разделить центральную и периферийную части потока. Это явле­ние называется эффектом Ранка .

Таким образом, через определенный физический процесс мож­но получить источник требуемой низкой температуры, необходи­мый для охлаждения тела.

Низкие температуры (от температур окружающей среды до близких к абсолютному нулю) условно подразделяют на об­ласть умеренного холода (до -103 °С, или 170 К), глубокого охлаждения (от -103 до -203 0 С, или от 170 до 70 К), криогенные (от -203 до -272,7 °С, или от 70 до 0,3 К) и сверхнизкие (от -272,7 до -272,9992 °С, или от 0,3 до 8 · 10 -4 К).

Способы охлаждения

Для получения холода используются безмашинные и машин­ные способы охлаждения. Безмашинные способы охлаждения ос­новываются на плавлении, испарении, сублимации.

В безмашинных способах охлаждения используются готовые хладоносители (водный, эвтектический и сухой лед, сжиженные газы, воздух). Установки, работающие на готовых хладоносителях, про­сты по устройству и, следовательно, наиболее доступны, но они имеют существенные недостатки: полную зависимость от возмож­ности и условий получения хладоносителей; большой объем гру­зовых работ, связанных с зарядкой хладоносителями и поддержа­нием гигиены в охлаждаемых помещениях.

Недостатки, свойственные безмашинным способам охлажде­ния, отсутствуют у машинных способов, когда энергия (механи­ческая, тепловая, электрическая) поступает извне.

По виду затрачиваемой энергии холодильные машины подраз­деляются на компрессионные, теплоиспользующие и термоэлек­трические. Компрессионные машины используют механическую энергию; теплоиспользующие - тепловую от источников теплоты, температура которых выше окружающей среды; термоэлект­рические - электрическую.

При охлаждении в компрессионных и теплоиспользующих ма­шинах теплота переносится в результате совершаемого рабочим телом - холодильным агентом (хладагентом) обратного кругово­го процесса, а в термоэлектрических - при воздействии потока электронов на атомы вещества.

Охлаждение в термоэлектрических машинах основано на тер­моэлектрическом эффекте, известном как эффект Пельтье , за­ключающемся в том, что при пропускании постоянного электри­ческого тока по замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников или полупроводников, один из спаев нагревается (горячий спай), а другой охлаждается (холодный спай). Для того чтобы холодный спай термоэлемента имел постоянную низкую температуру и был источником холода, горячий спай нужно ох­лаждать. В этом случае система представляет собой холодильный агрегат, в котором электрический ток переносит энергию от хо­лодного спая термоэлемента к горячему. Количество перенесенной энергии пропорционально силе тока в цепи термоэлемента. Изменение полярности электрического тока приводит к переме­не мест холодного и горячего спаев. Основной показатель качества термоэлемента - коэффициент добротности (эффективности вещества), определяющий максимальную разность температур го­рячего и холодного спаев. К достоинствам такого рода устройств можно отнести непосредственное использование электрической энергии для переноса теплоты без промежуточных веществ и ме­ханизмов; бесшумность и автономность работы; компактность и простоту автоматизации и обслуживания. Однако они значитель­но дороже других холодильных машин.

В зависимости от вида рабочего тела (холодильного агента) холодильные машины, в основе принципа действия которых ле­жит обратный цикл Карно (см. подраздел 2.1), подразделяют на паровые и газовые.

В испарителе паровой холодильной машины происходит испа­рение рабочего тела при переходе к нему теплоты от охлаждаемо­го объекта, а в конденсаторе - его конденсация при переходе теплоты от рабочего тела в окружающую среду (в воздух или воду).

В качестве рабочего тела в паровых холодильных машинах ис­пользуют аммиак и хладоны - фтористые и хлористые производ­ные предельных углеводородов, в газовых - воздух.

В зависимости от способа подачи рабочего тела в конденсатор холодильные машины подразделяют на компрессионные, абсорб­ционные, сорбционные и пароэжекторные. В компрессионных хо­лодильных машинах рабочий цикл совершается за счет механи­ческой работы компрессора, в абсорбционных, сорбционных и пароэжекторных - за счет затрат теплоты.

Для получения требуемых температур кипения и конденсации рабочего тела используют одноступенчатые, многоступенчатые и каскадные паровые компрессионные машины. Соответственно в одноступенчатых используют один, в многоступенчатых и каскад­ных - два компрессора и более, которые обеспечивают осуще­ствление холодильного цикла в каждой ступени машины. Для хо­лодильной обработки и хранения пищевых продуктов в охлажда­емых камерах используют преимущественно паровые компресси­онные одно- и двухступенчатые холодильные машины.