Основы криотехники. Физические основы получения низких температур, страница 2

Аммиак и хладоны, превратившись в пар, также теряют охлаждающую способность. Однако, в этом случае задача состоит не в пополнении запасов, а в том, что бы вернуть хладагент в исходное жидкое состояние.

2 Охлаждение за счет адиабатного расширения газов.

Процесс расширения газов осуществляется без теплообмена с окружающей средой. Способ используется в воздушных холодильных машинах. Для расширения воздуха применяют детандерные агрегаты и турбохолодильные машины.

Если ранее сжатый воздух до давления 0,4…0,5 МПа, охладить до температуры окружающей среды, а затем расширить до давления 0,1 МПа, т.е. резко сбросить давление до атмосферного, то температура его понизится до минус 70^оС. В настоящее время воздушные холодильные машины способны поддерживать температуру охлаждения до минус 180^оС.

Поскольку сжатый газ имеет внутреннюю энергию, то при расширении совершается внешняя полезная работа.

Из-за относительной дороговизны ВХМ в пищевых отраслях применяются редко. Чаще всего ВХМ используются в нефтегазовой промышленности для кондиционирования больших помещений.

3 Охлаждение путем дросселирования жидкостей. Эффект Джоуля-Томпсона

Дросселированием называют пропускание (проталкивание) жидкости через сужение в канале, в результате чего резко падает ее давление и температура. Способ обеспечивается при наличии достаточной разности давлений по обе стороны этого сужения.

В паровых компрессионных холодильных машинах дросселирование жидкого хладагента обычно происходит в регулирующем вентиле, расположенном между аппаратом с высоким давлением конденсатором и аппаратом с низким давлением и    испарителем (охлаждающей батареей)

При дросселировании полезная работа не совершается. Внутренняя энергия жидкости (работа расширения) затрачивается на преодоление сил трения в регулирующем вентиле. Это приводит к испарению части жидкости и охлаждению всего потока. Температура охлаждения То зависит от величины давления Ро в испарителе.

4 Охлаждение в вихревой трубе. (Эффект Ранка-Хильша).

Экспериментальными исследованиями Ранка в 1933 г. было установлено, что вихревой поток воздуха у оси и на периферии циклона имеет различную температуру. Спутся 13 лет открытие Ранка было подтверждено Хильшем на примере вихревой трубы. В настоящее время вихревые охладители в силу простоты конструкции и эксплуатации имеют широкий диапазон применения.

Охлаждающей средой, применяемой в вихревых охладителях, могут быть воздух, гелий, природные газы и др. Однако воздух является наиболее распространенным хладагентом.

Вихревая труба (Рис. ) обычно имеет цилиндрический корпус 1, внутри которого расположена диафрагма 2. Рядом с ней тангенциально размещен патрубок - сопло 3. В противоположном (горячем) конце трубы расположен дроссельный вентиль 4.

Схема вихревой трубы

где 1 - труба
2 - диафрагма
3 - сопло
4 - вентиль

Вихревой эффект несмотря на довольно продолжительный срок исследований до сих пор не имеет единого, признанного всеми, научного объяснения. Нижеприведенная гипотеза базируется на передаче кинетической энергии в потоке завихренного воздуха.

В сопло 3 подается сжатый воздух, предварительно охлажденный водой. Попадая по касательной в трубу 1 завихряется и приобретает кинетическую энергию. Воздух двигается в вихревом потоке с различной угловой скоростью. У оси трубы скорость вращения больше, чем на периферии. Поэтому внутренние слои воздуха, отдавая кинетическую энергию внешним слоям, охлаждаются до температуры tх и выходят через диафрагму 2. Нагретый до температуры t_г воздух выходит через свободный конец трубы. Расход и температура воздуха регулируются дроссельным вентилем 4. Температура охлажденного воздуха зависит от его начальных параметров - давления и температуры, а также от конструкции устройства. При давлении P = 0,4...1 МПа и температуре t_н = 20^оС воздух может быть охлажден до конечной температуры t_х = -80...0^оС.

Вихревые охладители в силу низкой экономичности применения в пищевой промышленности не имеет. Однако, при наличии линий сжатого воздуха используются при металлообработке для закалки деталей холодом или для обдува деталей при токарных работах, на транспорте - для охладителей напитков и продуктов и охлаждения кабин, в медицине - для охлаждения участков тела при операциях.

5 Термоэлектрическое охлаждение (Эффект Пельтье).

Эффект открыт Пельтье в 1834 г. Способ осуществляется в устройстве, представляющем собой электрическую цепь и термопару, состоящую из 2-х разнородных проводников или полупроводников, соединенных последовательно между собой металлическими пластинами, образующими спаи. Рис. .

При пропускании постоянного электрического тока через цепь в определенном направлении одна из пластин - спаев будет охлаждаться, другая - нагреваться. При изменении направления тока в цепи функции пластин поменяются, т.е. охлаждающая пластина будет нагревать объект, а греющая - охлаждать.

Принцип термоэлектрического охлаждения заключается в следующем. Полупроводники выполнены из материалов n- и p-типа. Электроны, переходящие через спай из материала p -типа в материал n -типа, проходят потенциальный барьер и при этом забирают энергию у кристаллической решетки холодного спая. А при переходе из материала n -типа в материал p -типа электроны переносят энергию решетке горячего спая.

Для увеличения мощности охлаждающего устройства термопары последовательно объединяют в модули. Перепад температур между холодным и горячим спаями возможен в пределах 60…70^оС. При каскадном подключении модулей перепад температур достигает 150^оС

Количество тепла, поглощенного спаем

Q_о = е*T_х *I,

где е - коэффициент, зависящий от материала проводников;
Т_х - температура холодного спая;
I - сила тока.

Мощность термоэлектрических устройств сравнительно мала (не более 10 кВт), поэтому в пищевой промышленности они не применяются. Однако простота, надежность, компактность и бесшумность термоэлектрических устройств позволяют использовать их там, где эти качества необходимы. Например, в предприятиях торговли и общественного питания (охлаждаемые витрины и оборудование для охлаждения напитков), на транспорте (кондиционеры поездов и автомобилей), в медицине (холодильники для лекарств, криогенные пинцеты и др.), а также в быту.