Термодинамічні основи одержання холоду

Як відомо із термодинаміки, перенос теплоти з нижчого температурного рівня на вищий супроводжується зменшенням ентропії S і тому не може відбуватися самочинно. Для здійснення такого процесу, його необхідно суміщати з іншим процесом, що йде із зростанням ентропії і таким, що компенсує її втрату в процесі відняття теплоти від середовища з більш низькою температурою. В холодильних установках перенос теплоти від середовища з більш низькою температурою до середовища з більш високою температурою здійснюється за допомогою робочого тіла, що називається холодильним агентом або хладоагентом.

Методи штучного охолодження

В процесах штучного охолодження зниження температури холодильного агента, що відіграє роль переносчика теплоти, здійснюється за допомогою адіабатичного розширення різноманітних попередньо стиснених газів.

Розширення газів можна здійснити:

а) при пропусканні газу через дросельний пристрій – шайбу з отвором, що викликає звуження потоку; в випадку дроселювання розширення протікає адіабатично і без здійснення зовнішньої роботи;

б) при розширенні газу в детандері – машині, влаштованій подібно поршневому компресору або турбокомпресору; процес охолодження при розширенні газу в детандері відбувається також адіабатично, але з виконанням зовнішньої роботи.

Випаровування низькокиплячих рідин

Для виробництва холоду широко використовується випаровування різних рідин, що мають низькі, звичайно негативні, температури кипіння. При випаровуванні такі рідини охолоджуються за рахунок зменшення ентальпії до температури кипіння за тиску випаровування. Так, наприклад, якщо рідкий амоніак випаровується за тиску 1 атм, то його температура знижується до -34 ° С – температури кипіння амоніаку за даного тиску.

Дроселювання газів

При дроселюванні робота, що здійснюється газом, витрачається на подолання тертя в отворі дроселюючого пристрою і переходить у тепло, в результаті чого процес розширення відбувається без зміни ентальпії. Дроселювання реальних газів, незважаючи на сталість ентальпії, супроводжується зміною температури газу.

Енергія, необхідна для розширення газу (проти сил зчеплення між молекулами) при дроселюванні, коли нема притоку теплоти зовні, може бути одержана лише за рахунок внутрішньої енергії газу.

Охолодження газів при їх розширенні в детандері

В даному випадку розширення попередньо стисненого газу відбувається в газовому двигуні, який одночасно здійснює зовнішню роботу; остання може бути використана з будь-якою метою; наприклад, для перекачки рідин або нагнітання газу. Розширення стисненого газу в детандері відбувається без обміну теплотою з навколишнім середовищем, і робота, що при цьому здійснюється відбувається за рахунок внутрішньої енергії, в результаті чого газ охолоджується.

Інші методи одержання низьких температур

Крім дроселювання розширення стисненого газу в детандері (з виконанням зовнішньої роботи) для охолодження можуть бути використані різноманітні інші фізичні процеси.

До їх числа відносяться процеси фазових переходів (плавлення, кипіння, сублімація і інші), що супроводжуються досить значним поглинанням теплоти. Окрім випаровування низькокиплячих речовин, таких, наприклад, як амоніак, фреон та інші, для охолодження застосовують плавлення льоду. Проте лід чистої води можна використовувати лише для охолодження до температури його плавлення (0 ° С). Для зниження температури плавлення застосовують охолоджуючі суміші, що складаються із подрібненого льоду з сіллю (NaCl, CaCl₂).

З метою охолодження також використовують вихревий, магнітно-колоричний та термоелектричний ефекти.

Конденсація парів

Конденсація пари (газу) може здійснюватися або шляхом охолодження, або в процесі охолодження і стиснення одночасно.

Конденсацію парів часто використовують в основних хіміко-технологічних процесах, наприклад, при випарюванні, вакуум-сушці, для створення розрідження. Пари, які підлягають конденсації, звичайно відводяться із апарата, де вони утворюються, в окремий закритий апарат – конденсатор, який омивається водою або повітрям.

Об’єм одержаного конденсату в тисячу і більше разів менший об’єму газу із якого він утворився. В результаті в конденсаторі створюється розріджений простір.

Розрізняють: конденсатори змішування, тобто такі в яких пар безпосередньо доторкується з водою, що його охолоджує. В залежності від способу відводу води, конденсату і газів розрізняють мокрі і сухі (або барометричні) конденсатори. В перших конденсат відкачується вакуум-насосом, у барометричних конденсаторах – конденсат видаляється самотьоком; а також поверхневі конденсатори, тобто такі в яких тепло віднімається через стінку. В такій конструкції конденсат і охолоджуючий агент відводяться роздільно, і конденсат, якщо він цінний, може бути використано повторно.