Физические принципы получения низких температур

Диапазон низких температур, используемый в различных отраслях народного хозяйства, весьма широк – от температур окружающей среды до температур, близких к абсолютному нулю. Поэтому его условно подразделяют на область умеренных (до 200 К, низких (до 120 К) и криогенных (ниже 120 К) температур. В пищевой промышленности, как правило, в настоящее время используют холод при температурах минус 45...минус 40 °С и выше.

Для получения низких температур используют физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты и снижением температуры. Таких процессов может быть несколько: фазовые переходы вещества (плавление, кипение, сублимация), адиабатическое расширение газа с отдачей полезной внешней работы, дросселирование (эффект Джоуля-Томпсона), вихревой эффект (эффект Ранка), термоэлектрический эффект (эффект Пельтье) и некоторые другие. Рассмотрим их более подробно.

Рис. 1.1  

Фазовые переходы веществ. Все вещества, в зависимости от параметров состояния, при которых они находятся, могут пребывать в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном (здесь и в дальнейшем мы не будем рассматривать четвертое состояние вещества – плазму). Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называют фазовым переходом. Все фазовые переходы сопровождаются соответствующими тепловыми эффектами. Так, процесс 1, 2 (рис. 1.1) называют плавлением, 3, 4 – кипением (испарением), 5, 6 – возгонкой (сублимацией). Эти процессы сопровождаются подводом к веществу теплоты плавления, кипения и сублимации, соответственно. Для осуществления противоположных по направлению процессов – затвердевания, конденсации, кристаллизации от вещества необходимо отвести такое же количество теплоты.

Перечисленные процессы фазовых переходов используются на практике для целей охлаждения (так называемое безмашинное охлаждение).

Известно, что при охлаждении и реализации в торговле рыбы широко применяют мелкокусковой водный лед, для локального охлаждения ушибленного участка тела в медицине используют, например, испарение этилового эфира, при реализации мороженого низкие температуры поддерживают, используя сублимацию твердой двуокиси углерода (“сухой лед”).

Здесь важно вспомнить, что, согласно правилу сосуществующих фаз Гиббса, фазовые переходы индивидуальных веществ протекают при двух постоянных параметрах состояния – температуре (Т) и давлении (Р) (например, кипение воды при нормальном атмосферном давлении протекает при температуре 100 °С, а если изменить давление, изменится и температура кипения). Следовательно, с помощью фазовых переходов одного вещества можно получить определенный интервал постоянных, а выбирая вещества с необходимыми свойствами – любую из низких температур. Это обстоятельство широко используется в паровых холодильных машинах.

Адиабатическое расширение газа. Если некоторое количество газа, при начальных параметрах t ₁, P ₁, заставить адиабатически расширяться в любой расширительной машине – детандере (например, в цилиндре с подвижным поршнем) до состояния t ₂, Р ₂, то температура t ₂ всегда будет ниже t ₁. Этот процесс удобно рассмотреть в T,s-диаграмме (рис. 1.2). Если температуру t ₁ принять равной температуре окружающей среды (это практически легко достижимо), то газ с температурой t ₂ будет являться охлаждающим телом, с помощью которого можно, например, охлаждать пищевые продукты. Холодопроизводительность одного килограмма такого газа (назовем ее удельной массовой холодопроизводительностью) в T,s-диаграмме будет пропорциональна площади а, 2, 3, с. При этом важно отметить, что в процессе 1,2 получена и полезная работа расширения, которая может, например, частично восполнять затраты работы, идущей на привод компрессора при получении газа с давлением Р ₁. Количественно такой способ получения низких температур характеризуется коэффициентом адиабатного расширения a _s = (¶T/¶P) _s.

Рис. 1.2

Величина a _s зависит от индивидуальных свойств используемого газа. Рассмотренный способ получения низких температур нашел практическое применение в газовых (воздушных) холодильных машинах при получении умеренных и низких температур.

Дросселирование (эффект Джоуля-Томсона). Дросселированием называют необратимое расширение газа (жидкости) при прохождении через устройство с малым проходным сечением (дроссель). Процесс протекает быстро, следовательно, практически отсутствует теплообмен с окружающей средой. Внутренняя энергия потока никуда не расходуется. По этой причине считают, что дросселирование протекает при постоянной энтальпии (i = const).

Дросселирование газа при высоких температурах (выше температуры инверсии) может привести к повышению его температуры. Дросселирование жидкости всегда приводит к снижению ее температуры. Этот процесс является необратимым, поэтому, строго говоря, не может быть изображен в какой-нибудь термодинамической диаграмме. Однако часто этим пренебрегают и условно изображают в диаграммах процесс дросселирования пунктирной линией. На рис. 1.2 пунктирной линией 1, 2 ' изображен процесс дросселирования газа от давления Р ₁ до Р ₂. Как и любой необратимый процесс, он протекает с увеличением энтропии и характеризуется конечными параметрами, соответствующими точке 2 '.

Количественно эффективность получения низких температур путем дросселирования характеризуется величиной дифференциального дроссель-эффекта a _i = (¶T/¶P) _i. Эта величина также зависит от термодинамических свойств дросселируемого вещества.

Интересно сравнить показатели эффективности получения низких температур a _s и a _і. Уменьшая интервал давления между точками 1 и 2 и переходя от частных производных функций a _s и a _і к их приращениям, легко заметить, что при одном и том же D Р величина D t в процессе s = const больше, чем D t в процессе i = const (из рис. 1.2 видно, что отрезок t ₁, t ₂ больше отрезка t ₁, t _{2 '} ). Следовательно (¶Т/¶Р) _s > (¶Т/¶Р) _i, т.е. дросселирование менее эффективно, чем адиабатическое расширение. А если учесть, что при адиабатическом расширении дополнительно получают еще и полезную работу расширения, то становится ясно, что адиабатическое расширение при получении низких температур теоретически более предпочтительно по сравнению с дросселированием. Тем не менее, в инженерной практике дросселирование нашло самое широкое распространение, т.к. реализовать его на практике значительно проще. Дросселирование широко используется в паровых компрессорных холодильных машинах.

Вихревой эффект. В 1939 году французский инженер Ранк запатентовал простое устройство, с помощью которого можно было получать низкие температуры. Это устройство получило название “трубки Ранка” (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Трубка Ранка: 1 – корпус трубки; 2 – тангенсиально ориентированное отверстие; 3 – дроссельная шайба

Газ высокого дав-
ления P ₁ подается через тангенсиально ориентированное по отношению к корпусу трубки 1 отверстие 2. В трубке образуется вихрь, все молекулы которого имеют одинаковую угловую, но различные линейные скорости. В результате в вихре происходит перераспределение энергии: периферийные слои газа разогреваются, а центральные – переохлаждаются. С помощью дроссельной шайбы 3 происходит разделение этих частей газа, в результате чего от левой части трубки отводят холодный газ, а от правой – горячий.

Это явление называют эффектом Ранка. Эффективность такого способа получения низких температур невысока. Тем не менее, такой способ охлаждения находит практическое применение (преимущественно там, где имеются магистрали сжатого газа).

Термоэлектрический эффект. Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье) заключается а том, что при прохождении постоянного электрического тока по цепи, состоящей из двух разнородных проводников, один из спаев приобретает низкую температуру, а другой – высокую. Холодный спай и является при этом охлаждающим телом.

Основным показателем качества такого охлаждающего элемента является коэффициент добротности, определяющий максимальную разность температур горячего и холодного спаев. Несмотря на то, что эффект Пельтье был открыт еще в XIX веке, практического применения в системах охлаждения он не находил, так как из-за высокой теплопроводности металлов практически не удавалось получить большого значения коэффициента добротности. И только с изобретением полупроводников удалось стабилизировать температуры на различных спаях элемента. В настоящее время термоэлектрическое охлаждение находит применение в народном хозяйстве. В ряде стран налажен выпуск термоэлектрических кондиционеров. В нашей стране, например, в свое время был налажен серийный выпуск бытовых термоэлектрических холодильников небольшой емкости «Морозко». Широко используется этот способ охлаждения в медицине (криохирургия глаза, сосудов головного мозга и т.д.).

В заключении нельзя не остановиться еще на одном перспективном способе получения искусственного холода – магнитокалорическом эффекте ( методе размагничивания твердого тела).

Еще в далеком 1881 году немецкий физик Эмиль Варбург открыл, что твердый магнетик, помещенный в магнитное поле, нагревается, а при снятии магнитного поля – охлаждается. Эффект был весьма незначителен и долгое время практического применения не находил.

Группа ученых из Швейцарии детально изучила магнитокалорический эффект и доказала, что современные научные достижения в физике твердого тела и материаловедении могут преодолеть преграды для его практического применения – перспективные сплавы на основе гадолиния, марганца, фосфора и некоторых других элементов и постоянные магниты нового поколения оказались способными генерировать практически востребованные низкие температуры.

Авторами был разработан и испытан опытный образец бытового магнитного холодильника с приемлемыми энергетическими, эксплуатационными и массогабаритными показателями. В заднюю стенку теплоизолированного корпуса такого холодильника встроен вертикальный перфорированный цилиндр, одна половина боковой поверхности которого находится снаружи, а другая – внутри корпуса. Цилиндр, выполненный из сплава на основе марганца, медленно вращаясь, намагничивается и нагревается снаружи, а саморазмагничиваясь и охлаждаясь при этом, охлаждает воздух внутри холодильника.

Важнейшими преимуществами магнитного холодильника является отсутствие компрессора и, связанных с его работой шума и вибрации, простота и надежность конструкции, а также отсутствие дорогостоящих и экологически опасных холодильных агентов. Есть все основания считать, что в ближайшее время магнитное охлаждение найдет самое широкое применение в транспортных кондиционерах, торговых и бытовых холодильниках.

Вопросы для самоконтроля:

1. Перечислите области применения искусственного холода.

2. На чем основано применение холода в пищевой промышленности?

3. Объясните, почему адиабатическое расширение газов более выгодно с точки зрения энергосбережения, чем дросселирование?

4. Преимущества и недостатки генерации искусственного холода на основе эффекта Пельтье.

5. Можно ли получить водный лед с температурой плавления плюс 5 °С?

Литература: [1, с. 5...31; 2, 7]

Лекция 2. Термодинамические основы
искусственного охлаждения

Дата добавления: 2014-01-04