Искусственное охлаждение. Умеренное охлаждение. Основные холодильные агенты и их свойства

ЛЕКЦИЯ 43

Искусственное охлаждение (часть 1)

Умеренное охлаждение

43.1 Общие сведения

Охлаждение до отрицательных температур издавна использовалось для сохранения пищевых продуктов и медицинских препаратов.

Одним из простейших способов является охлаждение с помощью водяного льда. В связи с малой теплоемкостью льда основная часть отбираемого тепла (94÷96 %) идет на его таяние и, как следствие, минимальная температура охлаждения будет равна температуре таяния льда, т.е. 0 °С.  Для снижения этой температуры могут быть использованы льдосоляные смеси.

При использовании их эвтектических растворов можно получить температуры плавления значительно ниже 0 °С.  Охлаждение эвтектическим льдом называется зероторным по названию сосуда (зеротор), в котором замораживается эвтектический раствор.

Охлаждение указанным выше способом является рациональным при малых количествах охлаждаемых веществ и относительно малых сроках удержания этих веществ в замороженном состоянии ввиду ограниченного холодильного ресурса хладоагента.

По мере роста спроса на низкие температуры развивалась техника охлаждения.  От простых ледников с их ограниченной емкостью, сезонностью работы и незначительным уровнем охлаждения эта техника пришла к холодильным машинам непрерывного действия, позволяющим производить очень большие количества холода (40–60 ГДж/ч) и достигать температур, близких к абсолютному нулю (0,00002 K), при сравнительно малых затратах энергии.

Современные способы охлаждения определяются уровнем требуемых температур и количеством охлаждаемого вещества.

По температурному уровню охлаждения условно различают: умеренное охлаждение (в диапазоне температур от 20 до –100 °С) и глубокое охлаждение (до температур ниже –100 °С).

В диапазоне глубокого охлаждения принято выделять поддиапазоны:

1. Глубокое охлаждение (от 173  до 55 К);

2. Криогенное охлаждение (от 55  до 0,3 К);

3. Охлаждение до ультранизких температур (до 0,00002 К).

43.2. Термодинамические основы получения холода

Основные положения. Как известно из термодинамики, перенос тепла с низшего температурного уровня на высший сопровождается уменьшением энтропии S и поэтому не может происходить самопроизвольно. Для того чтобы осуществить такой процесс, его необходимо сочетать с другим процессом, идущим с возрастанием энтропии (т. е. с затратой энергии) и компенсирующим ее убыль в процессе отвода тепла от среды с более низкой температурой