Естественное и искусственное охлаждение

Под охлаждением какого-либо тела понимают процесс снижения его температурного потенциала. Процесс охлаждения, т. е. отвода тепла от какого-либо тела, протекает самопроизвольно только тогда, когда одно из тел обладает более низкой температурой, следовательно, процесс охлаждения возможен только в том случае, если имеется два тела с разной температурой. Если температура окружающей среды будет ниже температуры охлаждаемого тела, то будет происходить теплообмен между ними и окружающая среда явится охладителем. Такое охлаждение называется естественным.

Естественное охлаждение основывается на использовании:

– низких температур окружающего воздуха (≤ 0 °С) в определенных климатических условиях;

– аккумулирования (заготовки) холода в зимнее время и применении его в летний период. Такой аккумулированный холод может быть использован только тогда, когда его количество достаточно большое. Опыт передовых предприятий сельского хозяйства в средней полосе Европейской части Советского Союза показал большую эффективность такого естественного охлаждения, например в тех случаях, когда требуется обеспечить охлаждение молока. В ряде хозяйств в течение зимы заготовляется до 500 000 м³ льда;

– низких температур в толще земли в районах вечной мерзлоты, что позволяет создавать для хранения продуктов охлаждаемые помещения, сооруженные на относительно небольшой глубине;

– холодной воды, получаемой из артезианских скважин. В большинстве случаев температура этой воды составляет порядка 6…8 °С, т. е. значительно ниже температуры окружающего воздуха в теплое время года.

Однако естественные способы охлаждения не всегда и не везде позволяют обеспечить требуемый температурный потенциал. Распространенный способ естественного охлаждения не позволяет осуществить охлаждение до температуры ниже 5…7 °С, кроме того, такой процесс охлаждения может происходить только до тех пор, пока охлаждающее тело (например, лед) имеется в достаточном количестве.

Более широкое распространение в настоящее время получило искусственное охлаждение, под которым понимают выработку холода. Искусственное охлаждение основано на непрерывном процессе переноса тепловой энергии от среды с низким температурным уровнем к среде с более высоким температурным уровнем. Согласно второму закону термодинамики такой перенос тепловой энергии возможен только при затрате внешней энергии любого вида: электрической, механической, тепловой, кинетической энергии потока газа или пара и др. Обычно средой с более высоким температурным уровнем, к которой переносится тепло от охлаждаемой среды, является либо окружающий воздух, либо вода.

Для осуществления процесса получения низких температур необходимо иметь рабочее тело (холодильный агент), энтропия которого зависит от температуры и давления. Эти параметры рабочего тела могут быть изменены для охлаждения при снижении энтропии и одновременной затрате тепловой энергии, эквивалентной внешней работе.

Комплекс машин и аппаратов, объединенных циркулирующим в них рабочим агентом, который совершает перенос тепла от охлаждаемой к внешней среде с более высоким температурным уровнем, называют холодильной машиной. Искусственное охлаждение с использованием холодильных машин называют иногда машинным охлаждением.

Перенос тепла от внешней среды на более высокий температурный уровень с затратой тепловой или механической энергии используют для обогрева (отопления) и машину, применяемую для этой цели, называют тепловым насосом. С помощью теплового насоса можно получить тепло с температурой до 70…90 °С.

Технические средства, предназначенные для получения низких температур, называют холодильной техникой. В зависимости от требуемых температурных уровней различают несколько областей применения холодильной техники:

– область кондиционирования воздуха;

– область умеренного холода;

– область глубокого холода;

– область сверхнизких температур, которую иногда выделяют в отдельную область – криогенной техники.

Область кондиционирования воздуха лежит между 20…0 °С. В области умеренного холода различают две зоны: охлаждения и замораживания (0…–80 °С) и промышленного охлаждения, используемого для охлаждения ряда промышленных газов (–80…–127 °С). Область умеренного охлаждения по ее применению в народном хозяйстве является наиболее распространенной в холодильной технике.

Пищевая промышленность и связанная с ней мясная, молочная и рыбная промышленности используют консервирующее действие холода в первой зоне умеренного охлаждения, т. е. в пределах температур 0…–80 °С. К этой же области относится и промышленное получение твердой углекислоты (сухого льда).

Температурные границы области глубокого охлаждения составляют –127...–260 °С (146…13 К).

В области глубокого охлаждения различают, в свою очередь, две зоны: кислородно-азотную (–127…–200 °С), используемую в основном для разделения и получения жидких кислорода, азота и некоторых других газов, и зону разделения газов для получения водорода в пределах температур –200…–260 °С (73…13 К).

К области криогенной техники также относят две зоны: зону с температурами –260…–270 °С (13…3 К), используемую для получения жидкого гелия, и зону, близкую к температуре абсолютного нуля – ниже 3 К. Иногда под криогенной техникой понимают холодильную технику, обеспечивающую получение температур ниже –200 °С (73 К).