Основы криотехники. Физические основы получения низких температур

Государственный Инженерно-Экономический Университет

Кафедра концепций современного естествознания

Доклад

На тему:

Основы криотехники

Выполнил студент 2-ого курса

334 группы Смирнов Антон

                 Принял:       

Санкт-Петербург

2004г

Введение

Продукты животного происхождения в большинстве являются скоропортящимися и поэтому их длительное хранение в обычных условиях невозможно. Одним из методов консервирования, позволяющим максимально сохранить исходные свойства продуктов (вкус, цвет, запах), является хранение в холоде.

Холодильную обработку и хранение пищевых продуктов можно осуществить за счет использования естественного и искусственного холода. Если естественное охлаждение возможно лишь с наступлением зимы, то искусственное охлаждение обеспечивает регулярное снабжение населения продуктами питания.

Искусственным охлаждением называют получение температуры ниже температуры окружающей среды. Оно может быть достигнуто двумя способами. Первый осуществляется при использовании естественного холода, аккумулированного в ограниченном пространстве. Второй - при использовании искусственного холода, полученного в холодильных машинах.

Первый способ охлаждения человеку известен издавна и благодаря его дешевизне применяется и в настоящее время, главным образом, в сельской местности путем помещения льда или снега в погребах, ледниках и т.п. Поскольку лед плавится при 0^оС, то хранение продуктов возможно только при положительных температурах. Для получения отрицательных температур люди стали использовать (еще в 17 веке) лед, смешанный с солью. Предельно низкую температуру плавления (-55^оС) можно достичь в льдосоляной смеси с концентрацией соли (хлористого кальция) 42,5 %.

Получение искусственного холода в машинах теоретически было обосновано С.Карно в 1824 г., однако промышленная реализация этого способа стала возможной значительно позже. В 1861 г. в Австралии была создана первая холодильная машина для замораживания мяса. В 70-х годах холодильные установки появились на морских судах для сохранения мяса при перевозке через океан из Австралии, Южной Америки в Европу.

В России холодильные установки появились в конце 19 века. В 1988 году первая машина была создана в Астрахани для заготовки и транспортировки рыбы.

Современную холодильную технику по уровню достижения низких температур можно условно разделить на 2 группы:

1. Технику умеренного холода (от температуры окружающей среды до минус120^оС). В настоящем учебном курсе основное внимание будет уделено технике умеренного холода, поскольку этим температурным диапазоном полностью удовлетворяются технологические потребности пищевых отраслей.
    
2. Технику глубокого холода (от минус 120^оС до температур, близких к абсолютному нулю (-273,85^оС).

Подобная техника применяется для водородных и гелиевых систем сжижения. Из жидкостей гелий имеет самую низкую температуру кипения -269^оС (4 К).

Особо низкая температура (до 0,2-0,3 К) достигается при магнитном охлаждении путем размагничивания парамагнетиков, например, солей редкоземельных элементов.

Сверхнизкая температура (до 1,2*10^-6К) достигается ядерным размагничиванием. Низкие и сверхнизкие температуры обеспечивают охлаждение сверхчувствительных электронных устройств, например, инфракрасных датчиков, применяемых в космосе и военной технике.

Физические основы получения низких температур

1. Охлаждение за счет фазовых превращений тел.

Процессы охлаждения за счет фазовых превращений охлаждающих тел (плавления, сублимации и кипения) происходят с поглощением тепла. Рассмотрим кратко их.

а) Плавление

Водный лед в погребе при плавлении забирает тепло от охлаждаемого воздуха и продуктов.

Постоянная температура плавления (0^оС) льда обеспечивает непрерывное охлаждение продуктов. Лед для более интенсивного теплообмена размещают в верхней части охлаждаемого помещения . Нагретый от продуктов воздух расширяется и поднимается вверх. Проходя надо льдом, он охлаждается, становится более плотным и опускается вниз к продуктам, где вновь поглощает тепло. Процесс охлаждения прекращается в случае полного превращения льда в жидкость.

б) Сублимация

Для охлаждения путем сублимации используют сухой лед (твердую двуокись углерода). Сухой лед, в отличие от водного, способен охлаждать до более низкой температуры, т.к. он сублимирует при атмосферном давлении при температуре - 78 ^оС.

Учитывая дороговизну получения, его используют для кратковременного охлаждения, например, для перевозки мороженых продуктов в автомобилях или вагонах-рефрижераторах.

в) Кипение

Благодаря свойству жидкостей поглощать при кипении большое количество тепла этот способ охлаждения нашел широкое применение в промышленности. Количество тепла, которое 1 кг жидкости поглощает при кипении, называют скрытой теплотой парообразования (r). У различных жидкостей величина r неодинакова.

Количество тепла, необходимое для кипения жидкости равно:

Q_о = m*r (1)

где m - масса жидкости, кг
r - скрытая теплота парообразования, кДж/кг

Из выражения (1) видно, что, чем выше величина r, тем больше жидкость забирает тепла Q при фазовом переходе.

Для охлаждения или замораживания продуктов необходимы легкокипящие жидкости, т.е. жидкости, способные кипеть при низких температурах. В пищевых отраслях в качестве таких жидкостей используют аммиак и хладоны, которые кипят в приборах охлаждения (например, в пристенных батареях), расположенных в охлаждаемых помещениях.

      Тепло, требуемое для их кипения, отводится от самих продуктов, находящихся в холодильных камерах. Температура кипения аммиака и хладонов при атмосферном давлении ниже - 30^оС. Изменяя давление в аппаратах, где кипит хладагент, можно изменять его температуру кипения, тем самым изменять температуру охлаждаемого объекта. Обычно температура кипения хладагента на 8...10^оС ниже температуры воздуха в камере.

      Охлаждение за счет фазового превращения имеет существенный недостаток. Холодильный агент после фазового перехода теряет охлаждающую способность. Например, лед способен охлаждать в период таяния. После полного превращения в воду необходимо пополнять запасы льда.