2.4.4.1. Получение низких температур путем фазового превращения веществ

Существует целый ряд фазовых превращений (испарение, плавление и др.), на осуществление которых затрачивается энергия. Если этот процесс проводить в адиабатических условиях, температура вещества понижается. Эти явления используется в технике для получения низких температур.

Рис.2.19. Схема простейшей холодильной установки

 

Наибольшее применение в качестве хладоагентов (рабочих веществ холодильных машин) находят  сжиженные газы, на испарение которых затрачивается большое количество тепла. На рис. 2.19 показана схема простейшей холодильной машины, состоящей из компрессора  и испарителя, а в табл.2.2 представлены физические свойства некоторых газов, используемых в качестве хладоагентов (ХА).

 

                                                                              Таблица 2.2

Свойства газов, применяемых в качестве хладоагентов

Свойства

Хладоагенты

He

H2

N2

O2

Ar

NH3

Ткипения, К

4,2

20,4

77,3

90,2

87,2

239,8

ΔНисп., Дж/г

20,7

442,7

200,8

213,4

158,6

1368

Ткритич., К

5,2

33,2

126,0

154,3

150,8

405,4

Ркритич., МПа

0,23

1,3

3,5

5,0

4,9

11,5

             

Для конденсации газа путем сжатия необходимо, чтобы его температура была ниже критической. Сверхнизкие температуры  получают, используя каскад ожижителей (рис. 2.20), в котором каждый предыдущий ожижитель является источником холода для охлаждения газа с более низкой критической температурой.

 

Рис.2.20. Схема каскадного ожижителя газов

 

В некоторых случаях роль компрессора выполняет абсорбент (рис.2.21). Газообразный хладоагент после испарителя поглощается растворителем и поступает в кипятильник, где десорбируется при повышенной температуре и давлении, конденсируется в теплообменнике и вновь поступает в испаритель. Для работы кипятильника обычно используют вторичные энергетические ресурсы. что снижает расходы на получение холода. Недостатком абсорбционных машин является большая металлоемкость.

Охлаждение технологических объектов осуществляют как путем подачи к ним собственно хладоагента, так и с помощью хладоносителей (ХН). В качестве хладоносителей применяют воду, водные растворы солей, глицерина, этиленгликоля, спирты, фреоны и др. вещества.

 

Рис.2.21. Схема абсорбционной холодильной машины

 

Кроме газов, в качестве хладоагентов используют жидкости и твердые вещества. Простейший твердый хладоагент – лед, который в контакте с более нагретыми телами плавится и при этом поглощает теплоту в количестве 333 кДж/кг льда; предельная степень охлаждения при этом 273 К (00С). Для достижения более низких температур с помощью льда его смешивают с солями или другими электролитами. Температура таяния льда в этом случае зависит от природы и концентрации электролита. Наименьшая температура, которая была получена таким способом – 210 К (-630С).

Температур порядка 200 К можно достичь, используя твердый диоксид углерода (сухой лед) в смеси со спиртом или эфирами. Интерес к отвержденным газам как хладоагентам ( твердому азоту, водороду и др.) особенно возрос в последние десятилетия в связи  с возможностью получения более низких, чем при использовании газов, температур, удобством хранения и др. особенностями веществ в таком состоянии.