Холодильні машини і кріогенна техніка
ХОЛОДИЛЬНІ МАШИНИ І кріогенної техніки
І в наших квартирах продукти зберігаються в холодильниках.
Однак холод потрібен не тільки для зберігання продуктів. На заводах його застосовують для загартування сталі (див. Термічна обробка металів), в будівництві - для заморожування ґрунтів, щоб уникнути затоплення шахт і тунелів. Біологи і медики зберігають при низькій температурі різні препарати, хіміки проводять ряд хімічних реакцій.
Як «створити» холод? Виявляється, за допомогою киплячої рідини. І це не парадокс, а закони фізики.
Щоб змусити кипіти рідина, треба нагріти її, т. Е. Підвести до неї теплоту. Але передати одному тілу теплоту, - значить, відняти її в іншого, охолодити його. Це перший важливий принцип, який допомагає створювати холод. І все-таки від нього було б мало користі, якби не інший принцип.
Будь-яка рідина кипить при певній температурі, наприклад вода при. Але тільки в тому випадку, якщо тиск дорівнює атмосферному. Якщо ж знизити тиск, вода закипить і при меншій температурі. На цьому важливому властивості рідин заснований другий принцип роботи холодильника.
Для отримання в ньому холоду беруть летючі рідини, які киплять при низьких температурах, наприклад рідкий аміак. Він кипить навіть при температурах нижче. Саме зріджені гази і застосовують в холодильниках, точніше, в парокомпрессионних холодильних машинах.
Розповімо про пристрій такої машини. Зріджений газ - його називають ще холодильним агентом - циркулює в герметичній замкнутій системі, що складається з чотирьох основних вузлів: випарника, компресора, конденсатора і дросельного вентиля. Випарник розміщений прямо в холодильній камері, а інші вузли - зовні. Завдяки роботі компресора у випарнику створюється низький тиск і рідина в ньому починає кипіти, відбираючи тепло з камери. Частина рідини перетворюється в пар, який безперервно відсмоктується компресором. Пройшовши через компресор, пар стискається і нагрівається при цьому до температури вище навколишнього середовища, наприклад повітря в приміщенні. Це потрібно для того, щоб, вступаючи в конденсатор, пар охолоджувався і перетворювався знову в рідину, конденсировался. Потім рідину пропускається через вузький отвір в дросельному вентилі. Тиск при цьому різко падає, і рідина знову починає кипіти в випарнику, поглинаючи тепло з холодильної камери.
Температура киплячій рідини в випарнику домашнього холодильника буває від -15 ° до і нижче. Завдяки цьому в камері звичайного холодильника можна підтримувати температуру від 0 ° до, в камері холодильника тривалого зберігання до -. А у великих промислових холодильниках до і нижче.
Існують і інші типи холодильних машин, наприклад ежекторні і абсорбція. Від парокомпрессионних вони відрізняються способами підтримання низького тиск у випарнику. У ежекторйих холодильниках для відкачування парів з випарника застосований ежектор - щось на зразок реактивного сопла. У абсорбційної машині пари з випарника відводяться шляхом поглинання їх рідиною в спеціальному апараті - абсорбере. (Абсорбції називають процес поглинання речовин з газової суміші рідинами.).
Але головний принцип роботи у цих холодильних машин один - холод створюється за допомогою киплячої рідини. Цей же принцип використовується і для створення більш низьких температур, т. Е. Температур нижче 120 К.
Техніка отримання і використання низьких температур називається кріогенної. Отримати наднизькі температури допомагають такі зріджені гази, як кисень, який випаровується при), азот - при або водень - при. Найкращий холодильний агент - рідкий гелій, який кипить під атмосферним тиском при.
Тепер розглянемо способи скраплення газу, т. Е. Перетворення його в рідину.
Один із способів глибокого охолодження - дросселирование, швидке охолодження стисненого газу за допомогою дросельного вентиля. Газ стискають компресором, потім охолоджують до температури навколишнього середовища, наприклад в теплообміннику, а потім розширюють, пропускаючи через дросельний вентиль. При різкому розширенні молекули газу долають сили взаємного зчеплення, їх тепловий рух сповільнюється, газ охолоджується і переходить в рідкий стан.
Цей спосіб годиться не для всіх газів. Деякі з них, наприклад, водень або гелій, при розширенні через дросельний вентиль, навпаки, нагріваються. Щоб не дати газу нагріватися, потрібно при розширенні змусити його виконувати роботу скажімо, в поршневому двигуні або турбіні. Молекули газу, б'ючись об поршень або лопатки турбіни, віддають їм свою енергію, рух їх сповільнюється, і газ остигає.
Розширювальні машини такого типу називають детандер, з їх допомогою здійснюється один з важливих промислових способів скраплення газів. Особливо широко застосовується турбінний детандер, запропонований в 1939 р радянським фізиком академіком П. Л. Капицею.
Схема його роботи така. Газ, стислий в компресорі приблизно до, охолоджується в теплообміннику. Частина його з теплообмінника потрапляє на лопатки обертового турбодетандера і робить роботу, обертаючи турбіну. Ще більш охолодити, газ надходить в конденсатор, де сам охолоджує і перетворює в рідину іншу частину газу з теплообмінника. Через дросельний вентиль скраплений газ прямує в нижню частину конденсатора, тиск в якому вже. Тут і накопичується рідина, готова до вживання.
Зберігають і перевозять зріджений газ в так званих судинах Дьюара з подвійними стінками, між якими для кращої теплоізоляції створюється вакуум.
Методи глибокого охолодження дозволяють відкрити багато цікавих властивостей речовин. При температурах, близьких до абсолютного нуля (0 До або), електричний опір деяких металів стає нескінченно малим, і струм тече в них практично без втрат. Це явище називають надпровідністю. Використовуючи надпровідність, наприклад, в потужних електричних генераторах, можна в кілька разів зменшити їх розміри і втрати електроенергії. Як виявили зовсім недавно радянські вчені, в умовах глибокого холоду, навіть космічного, досить успішно йдуть деякі реакції, в тому числі і синтез складних органічних молекул.