4. Термодинамические основы процессов в холодильных машинах.

Холодильные процессы, обеспечивают непрерывное искусственное, охлаждение различных веществ (тел) путем отвода от них теплоты. Естественное охлаждение с помощью холодной воды или воздуха позволяет охладить вещество до температуры охлаждающей среды и не требует подвода энергии. Охлаждение до более низких температур происходит в искусственных холодных средах, на создание которых расходуется механическая, тепловая или химическая энергия. Охлаждение до температуры выше 120 К принято называть умеренным, ниже - глубоким или криогенным.

Искусственные холодные среды. Для их получения необходим перенос теплоты с низкого на более высокий температурный уровень, которым, как правило, является температура окружающей среды. Этот перенос осуществляется с использованием, так называемых обратимых круговых термодинамических циклов, которые в промышленности обычно реализуются в холодильных установках. В последних холодная среда создается с помощью рабочих тел, называемых холодильными агентами или просто хладагентами (вода, NH3, пропан-пропиленовые смеси, хладоны, сжиженные газы - воздух, N2, Н2, Не и др.).

Согласно второму началу термодинамики, указанный выше перенос теплоты самопроизвольно не происходит, требуя затрат работы. В термодинамических процессах подвод или отвод теплоты q описывается через изменение энтропии dS системы: dq = TdS, где Т - температура. Отсюда следует, что при подводе к телу теплоты его энтропия возрастает, а при отводе теплоты - уменьшается. В непрерывных X. п. хладагент должен принять теплоту от охлаждаемого тела на ниж. температурном уровне, отдать теплоту на верх. уровне к.-л. теплоприемнику и вернуться в исходное состояние. Поэтому в установившемся процессе суммарная энтропия хладагента не изменяется (dS=0).

Поскольку при передаче теплоты от охлаждаемого тела энтропия хладагента повышается, в любой холодильной установке должен проходить иной (компенсирующий) процесс, при котором энтропия хладагента уменьшается. В общем случае энтропия м. б. представлена как ф-ция т-ры и к.-л. другого параметра тела (напр., давление, фазовое состояние, степень намагниченности). Поэтому, если имеется изотермический или близкий к нему процесс, в котором наблюдается значительное изменение энтропии при изменении иного параметра, то подобный процесс можно рассматривать как потенциальную основу для создания холодильных установок. К таким процессам относятся, например изотермические процессы сжатия либо адсорбции газов, намагничивания парамагнетиков и сверхпроводников. При этом низкая температура достигается соответственно в адиабатич. процессах расширения и десорбции газов, размагничивания парамагнетиков и сверхпроводников.

Перечисленные и иные процессы искусственного охлаждения в большинстве случаев осуществляются: 1) путем теплообмена между охлаждаемыми веществами и хладагентами - испаряющимися низкокипящими жидкостями, температура которых за счет уменьшения энтальпии понижается до температуры кипения при давлении испарения; 2) изоэнтальпийным расширением газов, предварительно сжатых в компрессорах, или жидкостей при их прохождении через сужение (вентиль, кран, пористая перегородка), т. е. их дросселированием (процесс протекает адиабатически без совершения внеш. работы) с использованием эффекта Джоуля - Томсона, или дроссельного эффекта, - отрицат. либо положит. изменения температуры тела при отсутствии подвода к телу или отвода от него теплоты; 3) адиабатическим (изоэнтропийным) расширением газов с совершением внеш. работы в т. наз. детандерах - машинах, устроенных подобно поршневому компрессору или турбокомпрессору; 4) сочетанием обоих методов расширения. Эти и другие методы получения холода рассмотрены ниже.

Повторяя указанные процессы, получают непрерывный круговой холодильный цикл с постоянной холодопроизводительностью (кол-во теплоты, отнимаемой от охлаждаемого тела).