39

Тема 6. Теоретические основы холодильных машин

6.1 Физические принципы получения низких температур

Для получения низких температур используют физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К числу таких основных процессов относятся: фазовый переход вещества, сопровождающийся поглощением теплоты извне – плавление, кипение (испарение), сублимация; изоэнтропное дросселирование газа с начальной температурой, меньшей температуры верхней точки инверсии (эффект Джоуля-Томсона); вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша); термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).

При фазовом переходе вещества наиболее доступным веществом, применяемым для получения относительно низких температур, является водный лед, который при атмосферном давлении плавится при 0°С и имеет большое значение удельной теплоты плавления 335 кДж/кг.

Процесс испарения используют в основном для понижения температуры воды или влажных поверхностей.

Процесс сублимации применяют в тех случаях, когда охлаждающим веществом являются водный лед или твердый диоксид углерода. Водный лед при атмосферном давлении сублимирует при температурах ниже нуля. Твердый диоксид углерода (сухой лед) при атмосферном давлении сублимирует при температуре -78,5 °С и имеет удельную теплоту сублимации 574 кДж/кг. Он довольно широко используется для охлаждения продуктов в сфере торговли и на транспорте.

Изоэнтропное дросселирование или необратимое расширение газа при его прохождении через устройство (дроссель, пористую перегородку) с большим аэродинамическим сопротивлением.

Для всех газообразных веществ в области, близкой к критической, изоэнтропное дросселирование приводит к понижению температуры. В сверхкритической области существует множество состояний газа, называемых точками инверсий, в которых эффект изменения температуры меняет знак. Совокупность этих точек представляет собой кривую, называемую инверсионной кривой. Выбирая начальные параметры состояния газа, можно осуществить процесс, сопровождающийся понижением температуры газа. Изоэнтропное дросселирование используют для получения умеренно низких и криогенных (ниже 120 С) температур.

Вихревой эффект наблюдается в устройствах, называемых вихревыми трубами. При подаче сжатого воздуха, имеющего температуру окружающей среды, по тангенциальному вводу в трубу происходит его завихрение в пространстве, которое ограничено с одной стороны диафрагмой с отверстием в центре, а с другой – дроссельным вентилем. Скорость вращения воздуха в сечении трубы различна – обратно пропорциональна радиусу. Центральная часть потока обладает большей скоростью, чем периферийная, и она охлаждается, отдавая кинетическую энергию периферийной части, которая нагревается в результате трения. В результате температура воздуха у стенки трубы будет выше а в центре – ниже, чем температура воздуха, подаваемого в трубу. Это явление называется эффектом Ранка–Хильша. Разделяя центральную и периферийную части потока воздуха, можно получить источники низкой и высокой температур.

При подаче в вихревую трубу осушенного воздуха с температурой 20 °С и давлением 0,5 МПа можно получить потоки холодного воздуха с температурой -50 °С и горячего воздуха с температурой 110°С. Увеличивая давление, можно достичь более низкой температурь воздуха, например -70°С при 0,8 МПа.

Термоэлектрический эффект, называемый еще эффектом Пельтье, заключается в том, что при прохождении постоянного электрического тока через цепь, состоящую из разнородных проводников (или полупроводников), в местах их контакта поглощается (появляется низкая температура), либо выделяется (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты Q, пропорциональное силе тока I

Q = ПI,

где П – коэффициент Пельтье.

Основным модулем термоэлектрического охлаждающего устройства является термоэлемент, состоящий из двух с различным видом проводимости полупроводников: электронного – и дырочного +,так называемых ветвей 1, 2, которые соединены медными шинами (пластинами) 3, образующими холодные и горячие спаи (рис. 6.1, а). Термоэлементы соединяются последовательно в батарею (рис. 6.1, б), из которых компонуют термоэлектрическое охлаждающее устройство.

Термоэлектрическое охлаждающее устройство обычно позволяет получить разность температур между спаями 60 К. Эта разность может быть увеличена до 140 К и более при использовании в устройстве многокаскадных батарей.

Реализация процесса охлаждения. Осуществляя определенный физический процесс, можно получить источник требуемой низкой температуры. А затем, используя его, охладить путем теплообмена объект до заданной температуры. Следовательно, для осуществления процесса охлаждения достаточно иметь охлаждаемый объект и источник низкой температуры. Охлаждение будет продолжаться до тех пор, пока между ними происходит теплообмен.