Физические основы получения искусственного холода

Тепловая энергия в естественных условиях всегда переходит от тела более нагретого (охлаждаемого) к менее нагретому (охлаждающему). Понижение температуры охлаждаемого тела до температуры окружающей среды не требует специальных условий и происходит самопроизвольно. Понижение температуры тела ниже температуры окружающей среды требует применения искусственных способов.

Искусственное охлаждение основано на различных физических процессах: фазовых превращениях веществ, адиабатном расширении, дросселировании, термоэлект­рическом охлаждении и др.

Фазовые превращения. Сущность охлаждения при фазовых превращениях заключается в том, что кипение жидкостей, плавление твердых тел и сублимация твердых тел (переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое) могут происходить только при подводе к этим телам тепловой энергии. Если температура кипения жидкости, плавления или сублимации твердого тела ниже температуры окружающей среды, то тело будет переходить из одного агрегатного состояния в другое, отбирая необходимую для фазового превращения тепловую энергию от окружающей среды, температура ее при этом по­нижается. Среда, от которой отводится теплота, называется охлаждаемой средой.

В практике для целей искусственного охлаждения используют испарение и кипение жидкостей, плавление водного льда и льдосоляных смесей, сублимацию твердой углекислоты, называемой сухим льдом.

Кипением называется парообразование во всем объеме жидкости. В отличие от испарения, которое происходит только с поверхности жидкости при любом давлении и любой температуре, кипение жидкости протекает при определенной температуре, зависящей от давления. Жидкости, имеющие при атмосферном давлении низкие температуры кипения и используемые в качестве рабочих тел в паровых холодильных машинах, называются холодильными агентами.

Плавление представляет собой переход из кристаллического состояния в жидкое. Температура плавления водного льда 0°С, теплота плавления 334,88 кДж/кг.

С помощью льда нельзя получить низкие температуры. Для получения отрицательных температур используют смесь льда и поваренной соли. С повышением концентрациисоли до 23,1% температура плавления льдосоляной смеси понижается до определенной (криогидратной) температуры (-21,2°С), при этом теплота плавления уменьшается до 197,6 кДж/кг. Дальнейшее увеличение концентрации соли приводит к повышению температуры плавления смеси.

Ледяное и льдосоляное охлаждение имеют существеннее недостатки: необходимость заготовки, транспортировки льда, невозможность получения достаточно низких температур, в связи с чем их применение ограниченно.

Сублимация. твердой углекислоты СО₂ протекает при температуре -78,9°С, при этом килограмм сухого льда, переходя в газообразное состояние, отбирает от окружающей среды скрытую теплоту, равную 117 кДж/кг. Применение сухого льда позволяет получить низкие температуры, однако его высокая стоимостьи связанные с доставкой транспортные расходы ограничивают его использование.

Адиабатное расширение газа. Оно протекает только за счет его внутренней энергии без подвода внешней. Уменьшение внутренней энергии сопровождается понижением температуры газа. Этот процесс использован в воздушных холодильных машинах.

Дросселирование. Так называют расширение газа жидкости при проходе ими суженного отверстия. В процессе дросселирования наряду с расширением происходит понижение давления рабочего тела, при этом внешней работы оно не совершает.

Дросселирование жидкостей сопровождается их частичным парообразованием и понижением температуры. При дросселировании наблюдается большое парообразование жидкости, чем при адиабатном расширении, так как работа сил трения при движении жидкости через узкое сечение превращается в теплоту и передается дросселируемой жидкости. Дросселирование используется для глубокого охлаждения и сжигания газов.

Термоэлектрическое охлаждение. Оно основано на использовании эффекта Пельтье. При пропускании электрического тока от источника питания 4 (рис. 1.1) через термоэлемент, состоящий из двух полупроводников, соединенных последовательно: электрического 1 (-) и дырочного 2 (+), спаянных медными пластинами 3, один спай охлаждается до температуры Т_х, другой нагревается до температуры Т_т.

Рисунок 1.1 – Полупроводниковый термоэлемент

Холодный спай, имеющий температуру ниже температуры окружающей среды, отнимает от нее теплоту Q₀, охлаждая среду; от теплого спая теплота Q_r отводится охлаждающим телом, например водой. Максимальное понижение температуры спая соответствует определенному оптимальному значению силы тока. Для получения большого охлаждающего эффекта несколько термоэлементов соединяют последовательно, и таким образом образуется термобатарея. Преимущества термоэлектрического охлаждения – бесшумность работы, непосредственный переход электрической энергии в тепловую, компактность установки – обусловливают перспективность его развития.