Методы получения низких температур

Диапазоны низких температур, от комнатной температуры, условно подразделяют на область умеренно низких (область умеренного холода от +20 до – 120 ⁰С) и криогенных температур (область глубокого холода от –120 до –273 ⁰С). Область умеренного холода применяется в холодильной технике. Область температур от +10 до –40 ⁰С применяется в холодильной технологии при производстве продуктов питания. Область глубокого холода применяется в криогенной технике.

В зависимости от окружающих условий (давления и температуры), вещества могут находиться в одном из трех фазовых (агрегатных) состояний – твердом, жидком и газообразном.

При подводе или отводе теплоты вещества изменяют свое фазовое состояние (например, переходят из твердого в жидкое, из жидкого в газообразное). На рис.1.1 показана фазовая диаграмма воды, отражающая условия равновесия между различными фазами в диапазоне давлений 0 ¸ 0,1 МПа. Изменение внешнего давления приводит к изменению закономерностей, характеризующих фазовые переходы при атмосферных условиях. При общем давлении Р в системе более 6,17 · 10² Па (тройная точка воды) возможно сосуществование трех фаз – твердого, жидкого и

Рис. 1.1. Фазовая диаграмма воды.

парообразного (газообразного). При Р < 6,17 · 10² Па возможно сосуществование только двух фаз – твердой и парообразной. t₀ = 0,0098 ⁰С, Р₀ = 6,17 ۰ 10² Па – тройная точка воды.

При атмосферном давлении (Р₁) и соответствующих температурах могут существовать три фазы воды: твердая при t₁ ≤ 0 ⁰C, жидкая при 100 ⁰C ≥ t ≥ 0 ⁰C, газообразная при t₂ ≥ 100 ⁰C. Из трех агрегатных состояний наибольший интерес в холодильной технологии имеет твердое состояние, возникающее при понижении температуры системы до уровня, при котором создаются соответствующие условия для фазового перехода жидкость – твердое вещество.

Охлаждением называется процесс понижения температуры охлаждаемого тела. Различают естественное и искусственное охлаждение. Естественное охлаждение осуществляется вследствие самопроизвольной передачи теплоты окружающей среде (атмосферному воздуху, воде естественных водоемов и грунту, имеющих более низкую температуру, чем охлаждаемое тело).

Искусственный холод получают двумя способами. Первый основан на аккумулировании естественного холода, второй на существующей в природе закономерности, выражаемой вторым законом термодинамики. Первый способ, относящийся к области ледяного или льдосоляного охлаждения, основан на том, что колебания температуры окружающей среды в природных условиях создают возможность сохранять или аккумулировать естественный холод в сравнительно ограниченном пространстве. Наиболее распространенным телом, сохраняющим естественный холод, является водный лед. Его заготавливают зимой, чтобы в теплое время года использовать для охлаждения. Второй способ

составляет основу машинного охлаждения. Применение охлаждающих устройств, холодильных машин, составляют специализированную область техники, которая называется холодильной техникой.

К основным физическим процессам, при котором происходит фазовый переход вещества, относят: плавление, конденсация, испарение, сублимация, кипение. Именно эти процессы лежат в основе получения низких температур.

1) Плавление водного льда и растворов солей. Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды. При превращении 1 кг льда в воду при 0 ⁰С, можно отвести 335 кДж теплоты, при этом температуру охлаждаемого вещества теоретически можно понизить до 0 ⁰С. r = 335 кДж / кг является скрытой теплотой плавления или затвердевания. Изменение фазового состояния в любом направлении происходит при одной и той же температуре.

Q = M * r [кДж], (1)

где М – масса, кг, r – скрытая (удельная) теплота плавления, кДж/кг.

На практике этот способ охлаждения давно применяется за счет заготовленного зимой льда (природный холод), либо замороженной воды в льдогенераторах.

Для достижения более низких температур применяют льдосоляные смеси – смесь льда с хлористым натрием или с хлористым кальцием. При содержании хлористого натрия в количестве 22, 4 мас. % в смеси со льдом, температура плавления понижается до –21,2 ⁰С, а скрытая теплота плавления составляет 236,1 кДж/кг. Применяя в смеси с водным льдом хлористый кальций (29,9 мас. %) можно понизить температуру плавления смеси до –55 ⁰С, в этом случае r = 214 кДж/кг.

2) Сублимация – это переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу при поглощении теплоты.

При атмосферном давлении сухой лед – это твердая двуокись углерода – переходит из твердого состояния в газообразное при температуре –78,9 ⁰С. Этот способ широко используют для охлаждения, замораживания, хранения и транспортировки в замороженном состоянии пищевых продуктов. Теплота сублимации составляет 571 кДж/кг.

При сушке белья зимой при атмосферном давлении происходит сублимация замороженной воды.

Процесс сублимации лежит в основе промышленного получения сублимированных продуктов.

Сублимационная сушка – это современный способ консервирования продук­тов питания, заключающийся в мгновен­ном удалении влаги из ягод, овощей, фруктов, мяса, масла, молочных изделий, рыбы, грибов и других продуктов питания в вакуум­ных установках.

Технология сублимационной сушки включает два основных этапа: заморажи­вание и собственно сушку. Во время вакуумно-сублимационной сушки из продукта удаляется влага путём возгонки (испаре­ния) льда. При этом минуется жидкая фа­за. При замачивании в воде сублимиро­ванные продукты быстро возвращаются к первозданной форме.

В процессе сублимации сохраняются питательные вещест­ва (до 95 %), витамины, микроэлементы, естественный запах, вкусовые качества и внешний вид исходного продукта, удобны для хранения и транспортировки, срок хранения при комнатной температуре составляет 12 – 36 месяцев в зависимости от вида сырья и упаковки. Одним из важнейших досто­инств сублимации является малая усадка исходного продукта, что позволяет избе­гать их разрушения и быстро восстанавли­вать сублимированные продукты, имею­щие пористую структуру, при обводнении.

Сейчас из-за недостатка производственных мощностей единственное российское предприятие по производству подобных товаров не может выпускать весь возможный ассортимент. В настоящее время акцент сделан на свёкле, капусте и моркови.

На рис. 1.2 показана принципиальная схема установки для исследования сублимационной сушки продуктов питания. Она состоит из камеры сублимации 1, холодильной машины 2, камеры десублимации 3, испарителя холодильной машины 4 и вакуум – насоса 5. Использован классический вариант конструкции, предназначенный для сушки материала в неподвижном слое. Установка содержит камеру сублимации, внутри которой расположены нагреватели
(кварцевые галогенные лампы) и поддон со слоем высушиваемого материала. Пары сублимированной влаги конденсировались при вымораживании в камере десублимации, в которой находится испаритель холодильной машины. Вакуум в системе поддерживали вакуум – насосом.

Рис. 1.2. Принципиальная схема установки для исследования сублимационной сушки

3) Кипение – процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева при подводе теплоты. При 100 ⁰С и Р = 1 атм вода кипит и поглощает 2257 кДж/кг. r = 2257 кДж / кг является скрытой теплотой парообразования. Кипение однородного вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления. С изменением давления изменяется и температура кипения – с уменьшением давления, температура кипения уменьшается и наоборот.

Например, при атмосферном давлении Р = 0,1 МПа температура кипения фреона R22 равна t = – 40,5 ⁰С, а при Р = 1,2 МПа температура кипения составляет t ≈ 24 ⁰С.

Зависимость температуры кипения от давления изображают кривой называемой кривой упругости насыщенного пара (пар, который находится в равновесии с жидкостью). Кривые упругости для аммиака (жирная линия) и фреона R-22 (тонкая линия) представлены на рис.1.3.

Кипение жидкости при низкой температуре является одним из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящую жидкость называют хладагентом (например, аммиак), а аппарат, где он кипит, забирая тепло от охлаждаемого продукта – испарителем.

4) Конденсация – процесс перехода из паровой в жидкую фазу при выделении теплоты. Используется также в парокомпрессионных машинах в конденсаторах.

Искусственное охлаждение может быть основано и на других способах, таких как расширение газа с совершением работы, дросселирование и термоэлектрический эффект.

5) Расширение газа с совершением внешней работы. Если на пути потока газа, двигающегося под воздействием разности давлений, поставить специальное устройство, где поток газа будет вращать колесо (или толкать поршень), то энергия потока будет совершать внешнюю, полезную работу. После этого устройства с понижением давления температура потока газа снижается. Этот способ охлаждения применяется в воздушных и газовых холодильных машинах для получения температур от –50 до –100 ⁰С. На рис.1.4 б) показан процесс расширения газа с совершением внешней работы, Р₁ > Р₂.

Рис. 1.4. а) процесс дросселирования; б) процесс расширения газа с совершением внешней работы

6) Дросселирование (эффект Джоуля – Томпсона). Заключается в падении давления и снижении температуры потока жидкости при его протекании через суженное сечение под воздействием разности давлений. Поток жидкости проходит очень быстро суженное пространство с большой скоростью, в результате чего внешняя работа не совершается, т.к. работа проталкивания переходит в теплоту трения между молекулами и не происходит теплообмена с окружающей средой. Это приводит к испарению части потока жидкости и снижению температуры всего потока. Процесс происходит в регулирующем вентиле или другом дроссельном механизме (капиллярной трубке) холодильной машины. Данный процесс используется в парокомпрессионных холодильных машинах. На рис.1.4 а) показан процесс дросселирования, где Р_к - давление конденсации, Р_и - давление кипения хладагента, Р_к > Р_и.

7) Термоэлектрический эффект (эффект Пелетье). Заключается в том, что при пропускании постоянного тока через цепь, состоящую из различных полупроводников, один из контактов (спаев) нагревается, другой – охлаждается. На рис. 1.5. показан термоэлемент, состоящий из двух различных полупроводников. Они последовательно соединяются металлическими пластинами, образующими спаи. При прохождении постоянного электрического тока один из спаев охлаждается и имеет температуру Т_х, а другой – нагревается и имеет температуру Т_г. К первому спаю подводят теплоту из окружающей среды Q₀, а от второго - отводят Q_г. Такой способ охлаждения применяют в охлаждаемых барах–холодильниках, транспортных холодильниках небольшой емкости, кондиционерах специального назначения.

Рис. 1.5. Термоэлемент, состоящий из различных полупроводников.