Ответы на экзаменационные вопросы № 1-31 по дисциплине "Кондиционирование воздуха и холодоснабжение" (Основные методы получения низких температур в технике и научных исследованиях. Особенности конструкции изоляции в системах холодоснабжения)

1. Основные методы получения низких температур в технике и научных исследованиях.

На современном уровне развития науки и техники охлаждающий эффект получают с помощью применения следующих физических процессов, совершаемых над рабочими телами:

- десорбция газов;

- расширение сжатого газа или пара с производством внешней работы (например, с помощью детандера);

- дросселированния газов или паров (эффект Джоуля-Томсона), расширения с затратами на реализацию рассматриваемого процесса внутренней энергией участвующих в нем газов или паров;

-  вихревого эффекта (эффекта Ранки-Хильша);

- размагничивания твердого тела (магнитокалорического эффекта);

- термоэлектрического эффекта (эффекта Пельтье);

- фазовых превращений (плавание, кипение, испарение, растворение, сублимация)

Снизить температуру рабочего тела можно и путем использования естественных природных процессов. Тепловой баланс земной поверхности, веществ и предметов, находящихся в зоне обитания человека, формируется под воздействием в основном двух явлений: поступления теплоты от солнца и потерь теплоты за счет излучения в мировое пространство. Особенно интенсивно эти процессы проходят при открытом (безоблачном) небе. Баланс этих потоков меняется в круговых процессах день-ночь и зима-лето. В ночные часы преобладает излучение в мировое пространство, вследствие чего снижается температура земной поверхности, приземного слоя атмосферы и находящихся в нем предметов, веществ и сооружений. Особенно ощутима разница между дневной и ночной температурой в районах с резко континентальным климатом. Аккумулирование холода в ночные часы (ночной холод) позволяет частично или полностью компенсировать дневные теплопоступления. В период низких зимних температур наружного воздуха, земной поверхности и воды в водоемах можно использовать потенциал этих рабочих тел для охлаждения в процессах кондиционирования воздуха и в технологических процессах- В отдельных климатических зонах в ходе естественного формирования теплового баланса земной поверхности накапливается большой объем низкотемпературных рабочих тел (вечная мерзлота, ледники, снег, лед рек и водоемов), которые могут эффективно использоваться для нужд охлаждения.

Источники холода можно разделить на две большие группы: естественные и искусственные.

Естественные источники холода имеют ограниченный природными условиями температурный потенциал. Он подвержен колебаниям, не поддается управлению, действие его в большинстве случаев ограничено узкими временными рамками, к тому же в отдельных случаях не совпадающими по времени с потребностью в холоде. Например, для комфортного кондиционирования зимний холод не может быть использован во время наибольшей потребности в холоде, т.е. летом. Использование зимнего холода в летний период возможно только путем его аккумуляции, например, в виде естественного или искусственного льда. В этом случае необходимо решать непростые задачи хранения льда до периода его потребления.

В искусственных круговых процессах рабочее тело забирает теплоту от охлаждаемой среды и переносит ее к охлаждающей среде, которая имеет температуру более высокую, чем охлаждаемая. Если бы это условие не соблюдалось, то передача теплоты от охлаждаемой среды к охлаждающей осуществлялась естественным образом, т.е. в направлении действующей разности температур. Перенос теплоты против действующей разности температур может совершаться в соответствии со вторым законом термодинамики только при затратах внешней работы. Такой цикл называется обратным холодильным циклом (обратный цикл Карно).

2. Физический смысл получения низких температур с помощью процесса сорбции-десорбции газов.

Сорбция (десорбция) паров в капиллярно-пористых телах по своей сути близка к сути рассмотренного выше испарительного охлаждения. Этот вид охлаждения обладает низкой термодинамической эффективностью и в отдельных случаях применяется только в лабораторных условиях для получения температур в области кипения жидкого водорода. Охлаждение с помощью десорбции состоит из 3 этапов: сорбция с повышением температуры капиллярно-пористого тела; охлаждение капиллярно-пористого тела; десорбция с понижением температуры. При десорбции гелия из активированного угля получена температура 4К.

При взаимном растворении веществ, а так же поглощении газа, температура поглотителя и поглощаемого вещества возрастает. При процессах сорбции температура полученной смеси веществ повышается, далее физическое соединение веществ нужно охладить с помощью внешнего источника и затем создать условия для выхода поглощенного вещества из поглотителя.

В процессе охлаждения охладитель потерял часть внутренней энергии. На отсоединение поглощаемого вещества требуются затраты энергии и та энергия получается за счет внутренней энергии поглотителя, т.о. поглотитель снижает свою температуру. Поглощение (сорбция) при повышении давления. Десорбция – в результате понижения давления. Этот физически эффект позволил получить температуру до 4 K.

3. Физический смысл получения низких температур с помощью процесса расширения газов с производством внешней работы (расширение газов с помощью детандеров).