Б) с отдачей внешней работы.

Кроме дросселирования для получения низких температур применяется также обратимое адиабатическое расширение газа с отдачей внешней работы (способ Клода и Капицы; дросселирование в способе Линде). Сравним эффективность этих двух методов.

Для реального газа:

При обратимом адиабатическом расширении газа .

	(6)
	(6а)

Разность уравнение (6а) и (3а):

(7)

Отсюда следует, что при обратимом адиабатическом расширении газ охлаждается сильнее, чем при дросселировании. Так, например, при адаибатичексом обратимом расширении воздуха с начальной температурой 300 К, сжатого до 10 атм, температура его понизится на 140 К, в то время как необратиме дросселирование дает охлаждение воздуха только на 2,5 К. Из уравнения (6а) видно: т.к. для газообразного состояния всегда положительна, то , т.е. при обратимом адиабатическом расширении газа всегда происходит его охлаждение. В отличие от дросселирования охлаждение газа при адиабатическом расширении имеет место и для идеального газа:

Значительно большая величина охлаждения газа и независимость знака эффекта от состояния газа при обратимом адиабатическом расширении составляет принципиальное преимущество этого метода охлаждения по сравнению с дросселированием.

1.2.2. ОХЛАЖДЕНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Фазовые превращения являются процессами, поглощающими относительно большие количества тепла, они применяются для получения охлаждающего эффекта.

А) Плавление – процесс перехода из твердого в жидкое состояние. Теплота плавления – количество тепла, которое необходимо подвести к 1 кг твердого тела для перевода его в жидкое состояние. При выборе веществ для целей охлаждения необходимо подбирать тела с низкой температурой плавления (лед, смесь льда с солями или кислотами).

Рис. 3. Зависимость температуры плавления от состава смеси:

T_A и T_B – температуры начала кристаллизации;

т. Е – эвтектическая точка, из всех составов дает наименьшую температуру плавления (криогидратная точка)

С понижением температуры холодопроизводительность уменьшается: теплота плавления чистого льда 333 кДж/кг, а в эвтектической точке – только 234 кДж/кг.

Б) Сублимация – процесс перехода тела из твердого состояния непосредственно в газообразное. Количество тепла, которое необходимо при этом затратить, называется теплотой сублимации. На практике применяется «сухой лед» - твердая углекислота, которая имеет не только относительно высокую теплоту сублимации ( ), но и низкую температуру сублимации. Холодопроизводительность с учетом отепления (нагрева) паров до 0 ⁰С составляет 630 кДж/кг. По сравнению с водным льдом холодопроизводительность больше на единицу веса в 1,9 раза, а на единицу объема в 2,9 раза. Применяется широко при транспортировании и хранении мороженого. Сравнительно ограниченное применение «сухого льда» объясняется его высокой стоимостью. Сублимация сухого льда более интенсивно протекает при свободном доступе воздуха, поэтому льдохранилище «сухого льда» устраивают в виде неохлаждаемых герметических ларей (перевозка продуктов в этиленовом мешочке с СО₂).

Недостаток применения для охлаждения плавления и сублимации: в процессе охлаждения тело меняет свое агрегатное состояние и теряет охлаждающее свойство, поэтому для непрерывного охлаждения требуется большой запас рабочего тела.

В) Кипение – в настоящее время широко применяется. Количество тепла, которое необходимо подвести к 1 кг жидкости, доведенной до температуры кипения, для перевода ее из жидкого состояния в парообразное, называется теплотой парообразования . Один штрих относится к жидкости на левой пограничной кривой, два штриха – к пару на правой пограничной кривой. С повышением давления температура кипения растет, а r падает (в критической точке r = 0). Для СО₂ p_кр=7,36 МПа, t_кр=31 ⁰С.

Рис. 4. Фазовая p-T-диаграмма Н₂О:

Кр. Т. – критическая точка; 1 – кривая насыщения (переход ж-г);

2 – кривая плавления; Т. А – тройная точка, здесь существуют одновременно все 3 фазы (для СО₂ р = 0,52 МПа, t = - 56,6 ⁰С); 3 – кривая сублимации.

1.2.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕСОРБЦИИ ГАЗОВ

Для получения температуры ниже температуры водорода (20 К) может быть применена десорбция (выделение поглощенного газа из твердых тел) гелия из угля. Адсорбция – поглощение газов твердыми телами, абсорция – жидкостью. Процесс охлаждения осуществляется в 2 периода. В 1-й период (зарядки) активированный уголь адсорбирует гелий, а выделяющееся при этом тепло отводится через наружную поверхность. Охлаждающий эффект получается во 2-й период (разрядки). Гелий откачивается и в результате процесса десорбции его из угля температура падает. Аппараты такой системы малоэффективны, применяются только в лабораторной практике. При десорбции гелия из активированного угля удалось снизить температуру с 13 К до 4 К.

1.2.4. ВИХРЕВОЙ МЕТОД (ТРУБКА РАНКА). ЭФФЕКТ РАНКА

При использовании вихревого эффекта охлаждения применяется специальная труба – «вихревая труба».

Рис. 5. Схема вихревой трубки противоточного типа

Устройство вихревой трубки несложно. Труба имеет сопло, расположенное тангенциально по отношению к ее внетренней поверхности. В непосредственной близости от сопла установлена диафрагма с отверсстием, концентричным оси трубки. По одну сторону от диафрагмы труба имеет свободный конец (холодный конец), а по другую сторону дроссельный вентиль (горячий конец). Потом сжатого воздуха р = 5-6 атм, предварительно охлажденного водой, поступает к соплу и, проходя через него, завихряется и приобретает кинетическую энергию. Через центральное отверстие диафрагмы выходит охлажденный воздух (до 40-60 ⁰С), а через вентиль – нагретый. Количество вытекающего холодного и горячего воздуха, а следовательно, и температуры потоков регулируются степенью открытия дроссельного вентиля. Явления, протекающие в вихревой трубке, сложны, а теория ее разработана не до конца.

Физическая сущность процессов вихревого охлаждения такова. Воздушный поток, вышедший из сопла, образует свободный вихрь, угловая скорость вращения которого велика у оси и мала у периферии трубки. По мере движения к дроссельному вентилю поток вследствие наличия сил трения между слоями газа приобретает почти одинаковую угловую скорость, т.е. во внутренних слоях скорость уменьшается, а во внешних увеличивается. Внутренние слои газа, отдав часть кинетической энергии внешним слоям посредством трения, охлаждаются, а внешние слои нагреваются. Причем температурное расслоение газа в вихревой камере происходит значительно быстрее наступления термического равновесия. Вследствие этого внешние слои выходят через дроссель-вентиль нагретыми, а внутренние через отверстие в диафрагме – холодными.

Термодинамические процессы вихревой трубки малоэффективны и получение охлаждающего эффекта таким образом связано со значительным перерасходом по сравнению с воздушной ХМ (в 8-10 раз). Преимущество – одновременное получение тепла и холода с помощью простого устройства. Целесообразно применять, когда необходимо получать периодически небольшие количества холода и тепла (в лаборатории и производственных условиях).

1.2.5. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Если пропустить электрический ток по проводникам термоэлемента (термопары), то происходит повышение или понижение температуры спая в зависимости от направления тока. Это явление называется эффектом Пельтье. Количество поглощаемого тепла, вызывающее охлаждение спая, зависит от коэффициента Пельтье, силы тока и времени. Для практического использования эффекта Пельтье необходимо создать термоЭДС Е>200 мВ/град. Обычные металлы здесь мало пригодны, перспективны полупроводники, имеющие значительную величину Е.

В Ленинградском технологическом институте холодильной промышленности в последнее время создана «сковородка» - холодильник, использующая эффект Пельтье. Известно, что для возникновения тока, используя эффект Зеебека, в полупроводниковых цепях нужен нагрев. Так возникла идея замкнуть термоэлектрический холодильник с термоэлектрическим генератором. Сковородка, включающая набор полупроводниковых пластин, перерабатывает тепло в электроэнергию, а та в свою очередь питает микрохолодильник. Достигнута t = -70 ⁰С, вес сковородки – 2 кг (по обычной схеме нужен в 10 раз больший вес установки).

1.2.6. МАГНИТНЫЙ МЕТОД

Другими методами можно достигнуть 1 К. Для достижения более низких температур необходимо создать иную физическую систему, для этого применяют магнитное охлаждение. Для этой цели используют парамагнитные соли. Если их при гелиевых температурах (~ 4 К) поместить в сильное магнитное поле, то хаотически расположенные спины электронов займут определенную ориентацию, т.е. перейдут в упорядоченное состояние. Намагничивание спинов, подобно сжатию газа, приводит к выделению тепла. С другой стороны, если магнитное поле выключить, то соль будет охлаждаться. Размагничиванием электронных спинов удается получать температуры порядка 10^-3 К. В последние годы предложен метод ядерного размагничивания и достигнута температура порядка 10^-5 К.

Спин электрона – собственный момент количества движения электрона (механический момент). Этот момент может иметь только 2 ориентации относительно внешнего магнитного поля, направленные по оси z. Спину электрона соответствует спиновый магнитный момент.

Контрольные вопросы к разделу 1:

1. Что такое холодопроизводительность?
2. Какой температурой ограничивается эффект естественного охлаждения?
3. Для чего используется «глубокий холод»?
4. Что такое точка инверсии?
5. В чем преимущество использования расширения газа для охлаждения с отдачей внешней работы?
6. Что такое криогидратная точка?
7. Какое из фазовых превращений наиболее широко применяется для охлаждения в настоящее время?
8. Для получения каких температур используется десорбция газов?
9. Объясните принцип действия вихревой трубки.
10. Основы термодинамического и магнитного метода охлаждения.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: