Основные способы получения низких температур

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» (СО₂ – 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 расширениегаза 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?