Способы получения низких температур

1. Охлаждение с использованием процессов фазовых переходов. Среди процессов изменения агрегатного состояния вещества в результате теплообмена можно выделить три процесса для получения охлаждающего эффекта. Это - плавление, сублимация, и кипение.

Для пищевых продуктов применяют ледяное и льдосоляное охлаждение. Ледяное осуществляют при помощи водного льда, заготовленного в зимнее время в водоемах или искусственно полученного в ледогенераторах. Для получения более низких применяют льдосоляное охлаждение или процесс сублимации сухого льда.

Сухой лед широко применяют в промышленности, медицине, при транспортировании, в общественном питании и торговле.

Кипение жидкости при низкой температуре или при пониженном атмосферном давлении, используется главным образом в холодильной технике для получения искусственного машинного холода.

Кипение – основной процесс происходящий в холодильной машине. Наряду с процессами фазового перехода, происходящими с поглощением теплоты, используют способы охлаждения, основанные на других физических эффектах.

2.Охлаждение при адиабатическом расширении. При расширении сжатого газа (воздуха), протекающего без теплообмена с окружающей средой, совершается работа. В результате уменьшается внутренняя энергия расширяющегося тела и понижается его температура. Так для воздуха, при понижении давления, в результате адиабатического расширения от 0,4 до 0,1МПа, температура меняется от 20°С до -73°С.

Такой метод получения низких температур используется в криогенной технике и воздушных холодильных машинах.

3. Охлаждение при адиабатическом дросселировании. Адиабатическое дросселирование – это необратимое расширение газа (жидкости) при прохождении через устройство с малым проходным сечением (вентиль, кран, дроссель и др.). Процесс протекает быстро, поэтому теплообмена практически нет. При дросселировании совершается работа на изменение сил взаимодействия молекул и преодоления трения в сужающемся устройстве. При этом снижается температура рабочего вещества, а также давление. Это явление называют эффектом Джоуля-Томпсона, его широко применяют в холодильной технике. Адиабатическое дросселирование жидкости более эффективно, ее температура значительно понижается за счет частичного парообразования.

4. Охлаждение с помощью вихревого эффекта. При подаче сжатого воздуха, имеющего температуру окружающей среды, по тангенсальному вводу через сопло в трубу, скорость вращения воздуха обратно пропорциональна радиусу вращения. Центральная часть потока будет обладать большей скоростью, чем периферийная. В связи с этим температура воздуха на периферии стенки трубы будет выше, а в центре – ниже, чем температура подаваемого воздуха в трубу.

Разделяя периферийную и центральную части потока, можно получить потоки с низкой и высокой температурой.

Это явление называется эффектом Ранке, в честь французского инженера Ранке, предложившего этот способ.

5. Охлаждение с помощью термоэлектрического эффекта. Этот способ основан на эффекте Жана Пельтье, открытом в 1838 г. При пропускании электрического тока через термоэлемент, состоящий из полупроводников 1 и 2, спаянных металлическими пластинами 3 и 4.

Рис. 5. 1,2 – полупроводники; 3,4 – спаи термоэлемента

Если через систему пропустить постоянный электрический ток, то на одном спае температура понизится до , называемом холодным спаем, поглощающим теплоту от охлаждаемого тела, другой спай нагревается до и отдает теплоту в окружающую среду. Термоэлементы могут быть объединены в батареи. Разность температур между спаями достигает 60°С, что позволяет использовать этот способ в различных отраслях техники. Эти устройства портативны, бесшумны, просты и надежны, отсутствие движущихся частей. Недостаток – высокая стоимость и большой расход электроэнергии.

Термодинамические основы холодильных машин

Основные понятия термодинамики

Термодинамическая система – это совокупность веществ, находящихся во взаимодействии между собой и окружающей средой. Различают несколько видов термодинамических систем: изолированные (закрытые), адиабатические, термомеханические и др. Холодильные машины в целом и их отдельные части рассматриваются как термомеханические системы, которые характеризуется двумя видами взаимодействия: тепловым и механическим.

Измеряемые параметры состояния и функции состояния – физические величины, характеризующие состояние системы. Изменение этих параметров приводит к изменению состояния системы. Некоторые параметры состояния можно измерить (давление, температура, объем и др.). Другие можно только рассчитать, используя зависимости и законы, включающие эти параметры. Такие параметры называют расчетными или функциями состояния системы (тела). К ним относятся: внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и др. функции.

Термодинамический процесс – это процесс, при котором меняется хотя бы один параметр состояния рабочего тела.

Для изображения и исследования термодинамических процессов, применяют графические методы, в которых по осям координат откладывают значения параметров состояния и получают зависимости этих параметров в виде графиков. Эти графики называют диаграммами состояния системы (тела).