Физические явления, используемые для осуществления искусственного охлаждения

Что представляет собой понятие «холод»? Понятие это весьма широкое и относительное, простирающееся от глубоких минусовых температур до области высоких плюсовых температур. Можно ли назвать холодным расплавленный металл? Оказывается можно, если он используется для охлаждения ядерного реактора. Жидкие металлы (натрий, литий) как хладоагенты очень выгодны, так как на единицу своего объема за счет высокой теплоемкости отбирают от охлаждаемого объекта гораздо больше тепла, чем большинство других веществ.

В настоящее царство холода мы попадаем, спускаясь ниже температуры 273 К. Здесь окружающие нас предметы выступают в роли горячих. Все относительно, и жидкий гелий, кипящий при температуре 4,2 К, по отношению к его изотопу – жидкому гелию-3 с температурой кипения 0,3 К кажется горячим – ведь он кипит при температуре в 14 раз более высокой, чем гелий-3.

Успехи в области снижения температуры, приближения ее к абсолютному нулю, гораздо большие, чем в области повышения температуры. Наивысшая достигнутая температура равна 30 млн.К, это температура плазмы в термоядерных реакторах. Она выше комнатной в 100 тыс.раз. Наинизшая достигнутая температура близка к миллионным долям градуса по шкале Кельвина. По отношению к комнатной температуре она ниже в 100 млн.раз.

Тысячилетиями человечество удовлетворяло свои потребности в холоде льдом и снегом. И только в 80-е годы 19 века сформировались основы современных методов получения холода. Были ожижены кислород, азот, водород, метан. Дальше холодильное дело пошло стремительно. Меньше чем за сто лет создано огромное количество разновидностей холодильных установок. Разветвленная, отлаженная и производительная индустрия холода – непременное условие динамично развивающейся промышленности.

Значительное охлаждение (220-230 К) приводит к отказу от использования углеродистых сталей – при этих температурах они становятся хрупкими, - и требует перехода на цветные металлы и сплавы.

Несколько примеров:

1. Спутником нефти является попутный газ, содержащий такие ценные компоненты, как пропан и бутан, пары бензина, этан и метан. На 1 т нефти может выделяться до 500 м³ попутного газа. Его промышленная обработка требует обязательного применения холода. Путем сравнительно небольшого охлаждения и последующего сжатия попутный газ превращают в конденсат, содержащий до 80% пропана и бутана – сжиженный газ.

Более глубокое охлаждение попутного газа и крекинг-газа позволяет разложить их на составляющие (этан, пропан, бутан, водород, этилен, пропилен, бутилен, изобутан), являющиеся ценным сырьем для целого ряда синтетических продуктов и топлив.

2. Холод открывает уникальные возможности для технологов. Так, например, трубопроводы топливоподачи, смазки, подачи воздуха, имеют сложную форму изгибов. Использование холода выглядит следующим образом: заполнение трубок водой, замораживание в течение 30-50 мин. в морозильной камере, затем гибка труб и нагрев-размораживание теплым воздухом. Качество трубопроводов, изготовленных таким способом, отвечает самым жестким нормам авиационной и судостроительной промышленности.

3. При глубокой вытяжке на штампах охлаждению до 100 К подвергают те участки толстостенной детали, которые находятся под воздействием максимальных нагрузок. Охлажденные участки приобретают более высокую прочность, а вытягиваются меньше – это позволяет регулировать толщину изделия.

4. Примораживание немагнитных деталей и их обработка на станках. Это надежнее приклеивания и не оставляет никаких следов.

5. Газ, сжиженный при 111 К, перевозят в танкерах, аварии которых не представляют опасности для окружающей среды. Баки танкеров надежно теплоизолированы. Испаряющийся газ либо используется как топливо двигателей танкера, либо снова сжижается в бортовой установке и сливается в баки.

6. Объем сжиженного газа по сравнению с газом в нормальном состоянии в 600 раз меньше.

Расчеты показывают, что сжиженный газ выгодно перемещать под давлением 40-50 атм, при этом существенно снижается металлоемкость трубопровода, уменьшается расход энергии на перекачку благодаря уменьшению размеров перекачивающих насосов. Поэтому при протяженности трубопровода более 2000-2500 км, даже несмотря на необходимость строительства завода сжижения, капитальные затраты оказываются ниже, чем при организации транспортировки газообразного топлива.

На 1000 км современного газопровода высокого давления требуется около 1 млн.тонн стали. Трубопровод для сжиженного газа позволяет экономить 65% металла.

Основные физические явления, используемые для осуществления искусственного охлаждения:

1. Эффект Джоуля-Томсона

Снижение температуры газа при расширении (дросселирование) без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой. Охлаждение газа в основном происходит в результате совершения работы против сил взаимодействия молекул. К.п.д. процесса порядка 10%.

2. Расширение газа с совершением внешней работы (изоэнтропное или адиабатное)

Это наиболее эффективный процесс снижения температуры, реализуемый обычно в детандерах: поршневых, турбинных и роторных машинах. Газ охлаждается в результате того, что его внутренняя энергия расходуется на совершение работы в детандере. К.п.д. процесса порядка 65-85%.

3. Эффект Ранка

Снижение температуры газа при его расширении в вихревой трубе. Если в трубу по касательной к окружности направить поток газа, то внутри образуются два вращающихся слоя. Наружный более теплый и внутренний – холодный. Установив внутри трубки кольцевую перегородку, потоки легко разделить. Явление открыто в 1931 году и по эффективности занимает среднее положение между расширение газа в дросселе и детандере. К.п.д. процесса порядка 25-40% в зависимости от конструкции вихревой трубы.

4. Испарение жидкостей

Наиболее древний способ получения пониженной температуры. Жидкость переходит в газообразное состояние, расходуя теплоту испарения, оставшаяся жидкость охлаждается.

5. Десорбция газов, поглощенных твердыми телами

Многие пористые тела с развитой поверхностью (адсорбенты) поглощают газы, причем эта способность возрастает с повышением давления. При снижении давления газ выделяется, что сопровождается отводом тепла.

6. Термоэлектрический эффект Пельтье

Открыт в 1834 г. Суть его состоит в том, что при протекании постоянного тока через цепь из двух разнородных проводников место их соединения охлаждается. Более 100 лет эффект не находил промышленного применения. В 50-х годах нашего века под руководством академика Иоффе в институте полупроводников АН СССР разработаны эффективные охлаждающие приборы, создающие перепад в 30-80⁰С. Установив несколько спаев один над другим (каскадная схема), достигают температур 153 К. Недавно предложено воздействовать на термоэлемент магнитным полем, что позволяет дополнительно понижать температуру на 13-15⁰ (магнитотермоэлектрические преобразователи) и использовать эффект Эттинсгаузена (открыт в 1877 г.), заключающийся в появлении градиента температур на поверхности проводника с током, помещенного в магнитное поле (гальваномагнитные преобразователи). Использование этих преобразователей позволяет снизить температуру почти на 200⁰.

7. Магнитно-калорический эффект размагничивания твердого тела (адиабатное размагничивание)

Впервые использован в 1933г., когда была достигнута температура 0,27 К. Суть метода в том, что парамагнетик охлаждают, например, гелием в сильном магнитном поле. Поле заставляет элементарные магнитные тела ориентироваться в одном направлении. Когда поле снимают, установленный порядок нарушается из-за естественных колебаний. На это тратится внутренняя энергия тела, что приводит к снижению температуры ниже температуры охлаждающей среды – жидкого гелия.

8. Растворение, например, гелия-3 (изотоп) в гелии-4 (обычный гелий), обеспечивающее стабильное получение температуры на уровне 0,02-0,01 К.

Итак, можно сделать вывод о том, что хладоагентами в низкотемпературной технике являются: газы, жидкости, затвердевшие вещества, электроны – свободные в металлах (электронный газ) и связанные в парамагнитных веществах. Уникальный диапазон!

Холод создается в энергетической машине-в компрессоре, если речь идет о парокомпрессорных циклах, в электрогенераторе, если имеется в виду эффект Пельтье. Охлаждение – это отвод энергии. Все перечисленные способы лишь обеспечивают реализацию отвода энергии. Источником ее является энергетическая машина.

Наиболее распространены парокомпрессорные холодильные машины с замкнутым или разомкнутым холодильным циклом. В замкнутой схеме хладоагент циркулирует по кругу, не расходуется, в разомкнутой – рабочее вещество покидает установку.

Наиболее близкой каждому из нас холодильной машиной с замкнутым циклом является домашний холодильник. Несмотря на кажущуюся простоту, в него входят почти все основные элементы любой, даже самой крупной установки. Это компрессор, конденсатор, дроссель или детандер и испаритель. Компрессор сжимает пары. Пары при повышенном давлении охлаждаются и сжижаются в конденсаторе (панель или решетка на задней стенке холодильника). Далее дроссель, где хладоагент расширяется, его температура падает. Охлажденный после дросселирования хладоагент поступает в испаритель, где выкипает, производя полезный эффект, и снова поступает на всасывание компрессора.

При охлаждении до 220-170 К (-50 -100⁰С) могут использоваться одноступенчатые холодильные машины, работающие на аммиаке, различных фреонах, пропане, бинарных или сложных смесях углеводородов, воздухе.

Для более низких температурных уровней экономически выгодно применять многоступенчатые каскадные схемы. В этом случае хладоагент верхнего температурного каскада охлаждает и конденсирует хладоагент с более низкой температурой кипения и т.д. Например, при сжижении природного газа пропан, конденсируемый окружающим воздухом, в свою очередь, конденсирует этилен, а тот – метан, который используется для ожижения продукта в последней ступени.

Вместо каскада кипящих хладоагентов может использоваться каскад детандеров. Каждый последующий из них снижает температуру хладоагента, уже охлажденного ранее. Такая схема часто применяется при сжижении водорода и гелия.