Основные способы охлаждения, виды и свойства

В этом обзоре, речь пойдет об основных способах охлаждения, которые зависят от метода теплопереноса (теплообмена). Здесь будут доступны лишь самые общие описания.

Содержание:

• Естественное охлаждение
• Искусственное охлаждение
• Охлаждение химическим способом
• Охлаждение дросселированием
• Термоэлектрический способ охлаждения

Естественное охлаждение

Способы естественного охлаждения отводят теплоту в окружающую среду, затрачивая при этом минимум электрической энергии. Это самый эффективный метод понижения температуры с точки зрения расхода энергии, который имеет одно ограничение, он не способен охладить теплоноситель ниже температуры источника естественного холода. Как только теплофизическое равновесие достигнуто, дальнейшее охлаждение тела невозможно.

Термодинамическое равновесие — это такой термодинамический порядок тел, который при неизменности внешних факторов (давления, температуры, энтропии, объёма) т.е. без внешнего воздействия может сохраняться не ограниченное время.

Количество тепла, которое способно принять тело, применяемое для охлаждения, определяет его холодопроизводительность или холодильный эффект. Поскольку физическая природа процессов одинакова, понятия теплота и холод условны.

Для лучшего понимания картины происходящего давайте вспомним, о чем говорит второй закон термодинамики.

Охлаждение, это необратимый процесс физического переноса тепловой энергии от нагретого (тела) к более холодному, до получения эффекта термодинамического равновесия. Под термином тело, понимают любое агрегатное состояние вещества (кристаллы, жидкость, газ) принимающего участие в теплообмене.

Теплообмен представляет собой разностороннее физическое явление, которое условно можно поделить на цепь простых, но принципиально разных способов теплопереноса.

Эффект термодинамического равновесия достигается путем одного из трёх видов передачи теплоты в пространстве:

1. Излучение (лучистое тепло) - термический перенос между предметами, за счет инфракрасного излучения без нагрева окружающего воздуха или вакуума.
2. Конвекция – перенос тепла в замкнутом объеме, веществом (газом либо жидкостью), путем перемешивания более горячего вещества, с холодным.
3. Теплопроводность – передача тепловой энергии между твердыми предметами при их непосредственном контакте, методом взаимодействия элементарных частиц.

Основными природными агентами для естественного охлаждения тел принято считать лед, воду и воздух.

Вода один из самых универсальный и уникальных химических элементов на земле. В зависимости от окружающей температуры, при стандартном давлении ртутного столба 760 мм или 1,013 бар, её можно встретить в любом агрегатном состоянии:

1. Кристаллическом – лед.
2. Жидком – вода.
3. Газообразном – пар.

Каждое агрегатное изменение состояния воды называется фазовым переходом. Удельная теплоемкость воды равна 1,16 Вт/кг на 1°С, для запуска фазового перехода воды в лед потребуется 7,5 Вт/кг. Т.е. для образования кристаллов льда в объеме, необходимо приложить практически в семь раз больше энергии, чем для обычного охлаждения.

Это свойство веществ широко применяется при получении искусственного холода, когда требуется охладить продукт ниже температуры природного источника низкой температуры.

Искусственное охлаждение (refrigeration)

Искусственные способы охлаждения базируются на следующих физических процессах:

1. Вихревой способ температурного разделения газа при закручивании в камере с условием, что поток в трубке проходит в обоих направлениях. Эффект Жозефа Ранка и Рудольфа Хильша.
2. Дросселирование (торможение, редуцирование). Способ Джоуля - Томпсона, получение эффекта охлаждения путем снижения давления жидкости или газа при прохождении потоком местного сопротивления, ограничивающего проходное сечение.
3. Способ охлаждения Пельтье, в этом случае происходит термоэлектрическое поглощение или выделение теплоты при воздействии электрического тока в месте соединения двух разнородных проводников.
4. Абсорбционный способ охлаждения тел получил свое название от процесса абсорбции. Т.е. поглощения веществом паров хладагента.
5. Фазовое преобразование агрегатного состояния вещества, сопровождающиеся выделением либо поглощением тепла:
• плавление или кристаллизация
• испарение либо конденсация
• сублимация или десублимация

Особенность фазового перехода, заключается в том, что температура тела осуществляющего преобразование, при одинаковом давлении, остается неизменной до полного завершения процесса.

Распространенные способы получения искусственного холода на основе изменения агрегатного состояния тел, которые применяют в производстве и хранении продуктов классифицируют на два типа:

• Нециклический способ охлаждения, является кратковременным и достигается, как правило, за счет фазового перехода кристаллизованного вещества путем плавления или сублимации. То есть перехода твердого тела в жидкость (плавление) либо минуя жидкое состояние сразу в газообразное (сублимация). Изменение исходного агрегатного состояния при фазовом преобразовании походят при постоянном давлении и температуре, которые зависят от свойств физического тела и внешних условий перехода. Для примера можно рассмотреть способы охлаждения продуктов в низкотемпературной камере, в которую помимо продуктов помещают заранее заготовленный водяной лёд (Н2О) или сухой лед (диоксид углерода СО2). Температура сублимации кристаллической угольной кислоты при нормальном атмосферном давлении равна -78,9 °C. Водный лед при атмосферном давлении плавится при достижении температуры выше 0 °C.
• Циклический способ, чаще называют машинным охлаждением, он базируется на термодинамических процессах, то есть на обратимых физических циклах, которые в термодинамике называют круговыми. В основе здесь так же лежит фазовый переход, но уже между жидкостью и газом, это так называемые парокомпрессионные холодильные машины. Дросселирование в таких схемах применяют для усиления холодильного эффекта.

Охлаждение химическим способом

Сорбционные или Абсорбционные - пароконденсационные холодильные машины (АБХМ) непрерывного действия, тоже являются циклическими, так как процессы абсорбции хладагента в абсорбере и выпаривания (десорбции) раствора в генераторе протекают непрерывно при постоянном давлении кипения жидкости в испарителе и конденсации паров в конденсаторе.

Абсорбционные процессы охлаждения происходят в среде рабочих веществ (растворов), состоящих, из двух компонентов – хладагента и сорбента. При работе АБХМ, хладагент циклически находится как в жидком, так и в виде пара, а абсорбент только в жидком состоянии.

Абсорбционные холодильные устройства могут быть водно-аммиачными или бромисто-литиевыми LiBr . Ввиду низкой холодопроизводительности такие машины в основном используют в промышленности и производстве электрической энергии.

Вихревой способ охлаждения осуществляется с помощью трубы Ранка.

Воздух, имеющий температуру окружающей среды, под большим давлением поступает в диффузор находящийся под углом к вихревой камере.

В камере кинетическая энергия закручивает воздушный поток. Круговая скорость воздушного вихря распределяется не равномерно, по внешней окружности она значительно уступает скорости струи находящейся ближе к центру. При движении газового потока в направлении дроссельного клапана происходит расслоение температуры (кинетическая энергия внутреннего вихря, через трение передается периферийному вихрю в виде тепловой энергии), в результате чего наружный вихрь нагревается, а внутренний напротив остывает.

Достигая конца трубки с коническим дроссельным клапаном, периферийный вихрь вырывается наружу перегретым, центральный осевой вихрь отражается от дросселя и движется в противоположном направлении, выходя через диафрагму охлажденным.

Вихревая труба Ранка-Хильша позволяет получить значительный перепад температур на разных концах трубы, более 200°С. Ввиду большого потребления энергии, способ применяется для местного (точечного) охлаждения оборудования.

Охлаждение дросселированием

Дросселированием называется преодоление жидкостью либо газом отверстия с малым сечением, которое сопровождается резким снижением давления.

При дросселировании не обязательно происходит охлаждение, иногда температура на выходе растет или остается прежней. Это зависит от исходных данных жидкости или газа перед процессом дросселирования.

На принципе дросселирования был основан простой однократный холодильный цикл Линде, примененный в установке по сжижению воздуха.

В парокомпрессионных холодильных машинах рабочее вещество в начале цикла сжимается компрессором, затем подвергается охлаждению, а потом через дроссель поступает в испаритель. Чаще всего в бытовых холодильниках в качестве дросселя встречается капиллярная калиброванная трубка.

При дросселировании жидкого хладагента с низкой температурой кипения, на внешней стороне дросселя (в промышленной холодильной технике ТРВ - терморегулирующий вентиль), вследствие снижения давления происходит закипание жидкости. Жидкий хладагент при этом интенсивно испаряется, значительно увеличиваясь в объеме, в результате чего совершается работа по преодолению взаимного притяжения молекул рабочего вещества. Произведенная работа по разрыву молекулярных связей, сопровождается снижением внутренней энергии кипящего тела. Дросселирование жидкого хладагента, в результате преобразования сил трения в тепло и передачи ее газу, способствует значительному снижению температуры.

Термоэлектрический способ охлаждения Жана-Шарля Пельтье

Эффект был открыт в 1834 году. Испытатель пролил воду на электроды, изготовленные из висмута и сурьмы, которые были подключены к электрической цепи. Вода на одном из контактов, внезапно превратилась в лёд.

Дальнейшее изучение феномена показало, что при прохождении электрического тока между двумя разно заряженными проводниками, на одной стороне происходит нагрев, а на противоположной стороне охлаждение. При смене полярности, горячая и холодная стороны элемента также меняется местами.

По причине низкого КПД, на протяжении следующих 100 лет о термоэлектрическом охлаждении было известно только научному сообществу, прикладного применения он не находил. Только в конце 30х годов прошлого столетия ученый академик А.Ф.Иоффе, предложил использовать для элемента Пельтье полупроводники и доказал достаточную эффективность термоэлектрического охлаждения.

Сегодня машинные способы охлаждения встречаются повсюду, в квартире, автомобиле, офисе, на промышленном и пищевом производстве.

Наука и медицина применяют охлаждение в криогенной технике:

• Криобиология — раздел биологии, который исследует действие низких температур на живые клетки.
• Криотерапия — лечение организма воздействием холода.

Сферы применения того или другого способа охлаждения веществ определяются их свойствами, которые влияют на производственные процессы, а также показателями экономической эффективности.