Способи отримання штучного холоду
Існує кілька способів отримання штучного холоду. Найпростіший з них - охолодження за допомогою льоду або снігу, танення яких супроводжується поглинанням досить великої кількості тепла - 80 ккал / кг (335 кgж / кг), при атмосферному тиску лід і сніг тануть при 0 о С. Практично в приміщенні, що охолоджується льодом або снігом, через приплив тепла ззовні температуру повітря вдається підтримувати лише на рівні 5-8 о С.
Більш низькі температури можна отримати, застосовуючи для охолодження суміш льоду або снігу з різними солями. В цьому випадку до прихованої теплоті, що поглинається льодом або снігом, приєднується прихована теплота, що поглинається сіллю при її розчиненні в воді, що утворилася в суміші; це веде до зниження температури суміші.
Штучного охолодження можна досягти також, якщо змішати лід або сніг з розведеними кислотами. Наприклад, суміш з 7 частин снігу або льоду і 4 частин розведеною азотної кислоти має температуру -35 про С.
Перераховані вище способи отримання штучного холоду мають суттєві недоліки: трудомісткість процесів заготівлі льоду або снігу і солі, їх доставки і перемішування, труднощі автоматичного регулювання, обмежені температурні можливості.
Охолоджувати тіла можна також сухим льодом (твердої вуглекислотою). Сприймаючи тепло від охолоджуваного тіла, сухий лід сублімує, тобто переходить в газоподібний стан, минаючи рідку фазу. Температура сублімації сухого льоду при атмосферному тиску -78,9 о С; при цьому кожен кілограм його поглинає з навколишнього середовища 137 ккал тепла.
Машинний спосіб отримання штучного холоду має значні переваги: легкість автоматизації, значне полегшення обслуговування холодильної установки, можливість отримання більш низьких температур в охолоджуваних об'єктах.
Робота холодильної машини заснована на різних принципах, найпоширенішим з яких в даний час є кипіння (випаровування) рідких тел.
Температури кипіння і конденсації рідини є функцією тиску; причому чим нижче тиск, тим нижче температура кипіння. Як хладоагентов часто використовують речовини, які при високому тиску і при температурі навколишнього середовища можуть бути перетворені в рідину. Випаровування цієї рідини при низькому тиску відбувається при температурі нижче температури навколишнього середовища.
До найбільш поширених хладоагента відносяться аміак, вуглекислота, сірчистий ангідрид, пропан, фреони.
Нижче вказані температури кипіння (випаровування) при атмосферному тиску речовин, що використовуються в якості холодоагентів (К):
Аміак. 239,9 етилен. 168,0
Вуглекислота. 194,7 Метан. 111,7
Сірчистий ангідрид. 263,1 Кисень. 90,2
Хлористий метил. 249,5 Азот. 77,4
Знижений тиск, необхідний для створення низької температури кипіння, підтримують шляхом відсмоктування утворюються пари компресором. При кипінні (випаровуванні) всі тіла поглинають з навколишнього середовища значна кількість тепла, в результаті чого температура в середовищі знижується. Зміна внутрішньої енергії речовини при випаровуванні відбувається в результаті збільшення його обсягу і кінетичної енергії молекул цієї речовини при переході з рідкого стану в стан пара.
В основу машинного способу охолодження може бути покладено також адіабатичне (без підведення і відведення тепла) розширення стисненого газу При розширенні стисненого газу температура його значно знижується, так як зовнішня робота в цьому випадку відбувається за рахунок внутрішньої енергії газу. На цьому принципі і заснована робота повітряних холодильних машин, розширювальних машин поршневого, турбінного або роторного типів.
Штучне охолодження можна отримати, використовуючи десорбції газів з розчинів або твердих тіл. Багато гази добре розчиняються в рідинах, наприклад аміак у воді, вуглекислота в спирті. Розчинність газів в рідинах зростає зі збільшенням тиску, пропорційно цьому тиску.
Виділення газу з рідини, як і випаровування, супроводжується різким збільшенням обсягу і відведенням тепла розчинення. Цей процес використовується в циклах водно-аміачних абсорбційних холодильних машин і в розімкнутих холодильних системах з використанням розчинів вуглекислоти в етиловому спирті.
Пористі тверді тіла з розвиненою поверхнею, звані адсорбентами, поглинають гази. Адсорбція газів твердими тілами збільшується зі зростанням тиску. При зниженні тиску відбувається десорбція газу, що супроводжується відведенням тепла. У холодильній практиці використовують процес поглинання аміаку хлористим кальцієм і силікагелем.
Можна отримати низькі температури термоелектричним способом (ефект Пельтьє). Термоелектричні явища обумовлені наявністю зв'язку між тепловими і електричними процесами. Якщо до термопарі (замкненого кола з двох різнорідних провідників) підвести постійний струм, то один із спаїв буде нагріватися, інший охолоджуватися. При зміні напрямку струму зміниться і нагрів спаев - нагріте буде охолоджуватися, а холодний нагріватися. Ефект Пельтьє обумовлений особливостями проходження потоку електронів через поверхню спаяний різнорідних металів. Це явище було відкрито ще в 1834 р але практичного значення довгий час не мало.
В даний час ефект Пельтьє застосовується в домашніх електрохолодильників і кімнатних кондиціонерах з термопарами з різних напівпровідників.
Останнім часом набули поширення напівпровідникові термоелементи. На ріс.2-10 показаний такий елемент, що включає напівпровідники 1 і 2 і мідні пластини 3.
Мал. 2-31. Напівпровідниковий теплоелемент:
а - схема; б - термоелемент; в - залежність охолоджуючого ефекту DTmax від температури гарячого спаю; 1, 2 - напівпровідники; 3 - мідні пластини
Напівпровідники (оксиди металів, сірчисті з'єднання, хімічні сполуки - германій, кремній, телур, селен, а також їх з'єднання) - це великий клас речовин, що займають по електропровідності проміжне положення між провідниками і ізоляторами.
Магніто-теплотворний ефект. заснований на розмагнічування твердих тіл (парамагнітних речовин), використовують тільки при необхідності отримання температур, близьких до абсолютного нуля.
Вихровий спосіб (ефект Ранка). На малюнку 2-32 приведена конструктивна схема вихровий труби Ранка, яка складається з корпусу 3 з соплом 4 і діафрагмою 5. трубок холодного 6 і теплого 2 потоків і керуючого дроселя 1.
Мал. 2-32. трубка Ранка
Вихрова труба працює наступним чином. Якщо газ з температурою Т1 і тиском Р1 випустити тангенциально в циліндричну трубку через сопло, в якому газ розшириться до тиску Р2 і розженеться до швидкості W, то в цій трубці, обертаючись, потік розділиться на два потоки з різними температурами Тх і Тг. причому Тх Т1 Тг. Холодний потік з температурою Тх через діафрагму 5 йде в трубку 6. а теплий потік з температурою Тг відводиться через трубку 2 і дросель 1.