Технологія одержання низьких температур

З курсу фізики відомо, що фізична природа тепла і холоду однакова і проявляється у швидкості руху молекул, з яких складаються всі тіла

Міра зміни внутрішньої енергії молекул, що переходять від одного тіла до іншою, називається кількістю теплоти. Перехід теплоти від більш нагрітого тіла до менш нагрітого відбувається самочинно. Звідси поняття "холод" умовне і означає мале утримання теплоти. В природних умовах обмін енергією між гарячим і холодним тілом продовжуватиметься до моменту зрівняння температур обох тіл. Таким чином, в природних умовах можливо понизити температуру любого тіла до температури оточуючого середовища (вода, лід, сніг, земля).

Дляодержання більш низьких температур використовується штучне охолодження з участю переносника теплоти робочого тіла.

Досягнення низьких від'ємних температур при штучному охолоджені здіснюється наступними основними процесами:

-зміною агрегатного стану тіла, -розширенням робочого тіла із здійсненням зовнішньої корисної роботи, -дроселюванням, -вихровим ефектом, -термоелектричним ефектом.

Зміна агрегатного стану тіла відбувається при постійній температурі тому, що все тепло витрачається на подолання сил зчеплення молекул

До процесу зміни агрегатного стану відносяться:

Плавлення - це перехід твердих тіл у рідке становище. Тут охолодження досягаєься за рахунок теплоти плавлення. Наприклад, водний лід плавиться при0 С. Достатньо висока теплота плавлення льоду 335 кдж'кг, тобто для розтанення і кг льоду необхідно підвести 335 кдж тепла від охолоджуємого тіла. Досягнення більш низьких температур здійснюється використанням суміші льоду чи снігу з сіллю NaCL або CaCL, які забезпечують відносно -21,3° С, -55 °С. Це так звані евтектичні розчини - швидкотаюча суміш.

Кипіння - не перехід рідини в пароподібне становище. Не слід
ототожнювати поняття '' кипіння'' гаряче по аналогії з киплячою водою.
Але існує значна кількість речовин ''холодоагенти", які киплять при низьких від'ємних температурах. Так, при атмосферному тиску температура кипіння: у аміаку - мінус 33.4 °С, фреона - R22 - мінус 40,8 °С, R-404 - мінус 46,6 °С, рідке повітря — мінус 19,2°С, рідкий кисень - мінус 183 °С, рідкий азот – мінус 196°С, рідкий гелій — мінус 269 °С. Температура кипіння кожної речовини залежить від тиску, при його зниженні знижується температура і навпаки.

Процес кипіння супроводжується поглинанням тепла., яке виттрачається на перебудову міжмолекулярних зв'язків речовини.

Сублімація - перехід твердих тіл в газоподібне становище, обминаючи рідку фазу.

Для одержання низьких температур при сублімації використовують
тверду вуглекислоту СО або ''сухий лід". При атмосферному тиску температура
сублімації складає мінус 78 °С, а теплота сублімації - 573 кдж'кг. В порівнянні з пароутворенням води при 0 °С теплота складає 2501 кдж'кт. Але теплоту

пароутворення води при охолоджені можна використовувати тільки при додатній температурі. Сухий лід успішно використовуюсь при транспортуванні їжі, при зберіганні морозива та інших продуктів.

В умовах вакууму температуру сублімації можна понизити до мінус 100°С.

Розширення із здійсненням зовнішньої корисної роботи.

Під час розширення стисненого газу (повітря) одержується подвійна користь: - за рахунок звільнення внутрішньої енергії знижується температура, а тиск виконує механічну роботу. Наприклад, робота пневмозубила, пневмодрелей, пневмоточила виконується під тиском стисненого повітря і сопроводжується зниженням температури.

При розширенні стиснутого повітря від 1,0 МПа (10 кгс/см2) до 0,1 МПа (1кгс/см2) без теплообміну з оточуючим середовищем (адіабатичний процес), то температура знизиться від 20°С до мінус 190 С.

Дроселювання (ефект Джоуля-Томсона).

Охолодження здійснюється за рахунок різкого розширення рідини або газу при його проходженні крізь звужений отвір (вентиль, капіляр, діафрагма). Під час дроселювання деяка частина рідини перетворюється у пару завдяки тертю рідини об стінки дросельного пристрою. Процес дроселювання супроводжується зміною внутрішньої енергії речовини і здійсненню роботі для подолання внутрішніх сил взаємодії молекул, в результаті знижується

температуа.

Зміна температури при дроселюванні називається ефектом Джоуля-Томсона,

який може бути позитивним і від ємним.

Вихровий ефект.

Ефект описаний вченим Ранком і здійснюється в мішальному пристрої - вихровій грубі, в якій одночасно додержується ''холод" і "тепло". В межах температур від мінус 10-50 °С на холодному кінці, і 100-130 °С на гарячому кінці труби.

Стиснене повітря з температурою навколишнього середовища подається крізь сопло 2 по дотичній до внутрішньої поверхні труби.

Потік повітря всередині обертається навкруги осі і перемішується від сопла 2 до вентиля 4. По мірі пересування потоку в сторону вентиля швидкість внутрішнього потоку зменшується і внутрішня енергія його передається периферійному потоку, в результаті він розігрівається, а внутрішній - охолоджується.

Ефект вихрової труби не одержав широкого використання внаслідок великих енерговитрат. Але на об'єктах з надмірними витратами повітря. Наприклад: авіація, суднобудівництво цей ефект здійснюється для кондиціювання повітря.

Термоелектричний ефект (Пельтьє).

Ефект охолодження можна одержати якщо пропускати постійний струмкрізь контакти двох провідників (полупровідників). В залежності від напрямку струму в місцях контакту виділяться або поглинається тепло.

Якщо розмістити спаї і пропускати струм таким чином щоб температура на холодному спаї (Т_х) була нижче температури охолоджуємого середовиша (Т), а температура гарячих спаїв (Т) - вище температури навколишнього середовища (Ті), то термоелемент виконує функції охолоджувача.

Ефект охолодження пропорційний силі струму І і залежить від фізичних властивостей провідників і температури контактів П- коефіцієнту Пельтьє.

Q =I х П

Максимальна різниця температур на двох спаях досягає 75 °С. Термоелектричні елементи використовують на об'єктах, де недопустима вібрація, робота механізмів, наявність магістралей і робочих речовин.

Система енергетично невигідна в порівнянні з машинним охолодженням.

ПРИЗНАЧЕННЯ І СТРУКТУРА ХОЛОДИЛЬНИХ АГЕНТІВ ТА ТЕПЛОНОСІЇВ.

Холодильний агент здійснює в холодильної машини зворотній круговий процес, в результаті якого теплота від охолоджуємого середовища передається у середовище з більш високою температурою (вода, повітря, земля).

В парових холодильних машинах теплота від охолоджуємого середовища віднімається внаслідок кипіння холодильного агенту при низьких температурах і відводиться (віддається) оточуючому середовищу під час його конденсації.

Дата добавления: 2014-11-29