Охлаждение — один из ключевых процессов в инженерной практике, физике, термодинамике, пищевой промышленности, медицине и высокотехнологичных отраслях, таких как авиакосмическая техника и квантовая электроника. Снижение температуры вещества или среды не только способствует сохранению материалов, но также позволяет реализовывать фундаментальные физические явления, недоступные при обычных условиях.
Современные методы охлаждения основаны на точной реализации физико-химических процессов, при которых происходит отвод теплоты от системы. Эти процессы делятся на естественные (теплообмен с окружающей средой) и искусственные (технически организованные циклы снижения температуры). Искусственное охлаждение открывает возможности получения температур вплоть до близких к абсолютному нулю. Это становится возможным благодаря таким явлениям, как адиабатическое расширение, дросселирование, десорбция, эффекты Ранка и Пельтье и другим.
Первые практические попытки искусственного охлаждения относятся к XVIII веку, когда в Европе начали применять льдогенераторы и машины с компрессионным охлаждением. В XIX веке английский физик Майкл Фарадей экспериментировал с охлаждением газов, достигая температуры ниже −100 °C. В 1877 году Луи Кайете и Рауль Пикте впервые смогли получить жидкий кислород, открыв путь к криогенной технике. Позднее, в XX веке, развились методы сжижения гелия, позволившие достичь температур вблизи абсолютного нуля (−273,15 °C).
В 1933 году были открыты и описаны вихревые процессы, а в 1939 году французский физик Жорж Ранк предложил вихревую трубку, позже усовершенствованную немецким инженером Хильшем. Эффект Пельтье, открытый еще в 1834 году, начал активно использоваться в XX веке для точного температурного контроля в микросистемах. Все эти открытия заложили основу современной холодильной техники и технологий криогенного охлаждения.
Среди процессов, используемых в оборудовании для холодильной техники, особое значение имеют фазовые превращения, сопровождающиеся либо поглощением, либо выделением тепла. К ним относят: переход вещества из твёрдого состояния в жидкое (плавление), переход жидкости в пар (кипение и испарение), а также переход вещества из газа обратно в жидкость (конденсация). В некоторых системах также применяются сублимация, десорбция, термоэлектрическое охлаждение, адиабатическое расширение и размагничивание парамагнитных материалов.
Фазовые превращения, такие как плавление, сублимация, испарение, требуют наличия определённых значений температуры и давления. Во время этих переходов вещество поглощает значительные количества тепловой энергии. Количественная характеристика этого явления выражается через удельную теплоту плавления и удельную теплоту парообразования, выражаемую в кДж/кг.
Температура и давление оказывают прямое влияние на агрегатное состояние вещества, что отражено на соответствующих диаграммах (рис. 1).
Рисунок 1 – Температурная диаграмма энтальпии воды
Во время изменения агрегатного состояния температура вещества остаётся неизменной до тех пор, пока весь объём вещества не перейдёт в новое состояние. Это свойство используется в холодильных установках для поддержания стабильного температурного режима.
Чтобы графически отразить взаимосвязь между фазовыми состояниями вещества и параметрами внешней среды, используют фазовые диаграммы (рис. 2). Три области, разделённые линиями на диаграмме, соответствуют условиям, при которых вещество может находиться только в газообразной, жидкой или твёрдой фазе. Пересечение этих линий образует тройную точку, в которой возможны одновременные переходы всех трёх фаз. Отрезок между этой точкой и критическим значением состояния обозначают как кривую упругости пара или линию кипения.
Рисунок 2 – Фазовая диаграмма вещества
На участке кривой упругости пара одновременно сосуществуют жидкость и её насыщенный пар. Для перехода из жидкого состояния в газообразное требуется преодоление межмолекулярных связей, что требует значительных энергетических затрат. В этот момент часть вещества уже находится в парообразном виде, в то время как остальная часть всё ещё в жидком состоянии.
Первые пары, образующиеся при испарении жидкости, насыщены влагой и называются влажным паром. Если в образующемся паре отсутствуют капли жидкости, и его температура совпадает с температурой кипения, такой пар называется сухим насыщенным паром. При дальнейшем поступлении теплоты, и если температура пара начинает превышать температуру кипения, то пар переходит в состояние перегретого.
Процесс обратного фазового перехода – конденсация – сопровождается выделением такого же количества энергии, которое требовалось для его испарения. Это делает фазовые переходы весьма эффективными для использования в циклах охлаждения и кондиционирования.
Для инженерных расчётов термодинамических характеристик влажного воздуха часто используется специальная графическая зависимость, получившая название I-d диаграмма.
График I-d построен в наклонной системе координат, где вертикальная ось (ордината) отражает значения энтальпии I, а горизонтальная ось (абсцисса), наклонённая под углом 135° к вертикали, показывает влагосодержание воздуха d. Исходная точка координат соответствует значениям I = 0 и d = 0. Ниже этой точки располагаются области с отрицательными значениями энтальпии, а выше — положительные. Внутри сетки на диаграмме нанесены изотермы (линии с постоянной температурой), линии одинаковой относительной влажности φ = const, а также линии, отражающие постоянное парциальное давление пара и влагосодержание.
Кривая, соответствующая φ = 100 %, называется линией насыщения и отражает предельное состояние влажности воздуха. При увеличении атмосферного давления эта кривая поднимается вверх, при снижении давления — опускается. Над этой кривой располагается область, соответствующая ненасыщенному воздуху, тогда как под ней — зона пересыщенного влажного воздуха, содержащего воду в капельной или кристаллической форме. Эта нижняя область не представляет практического интереса для инженеров и обычно не включается в диаграмму.
Каждая точка, находящаяся выше линии φ = 100 %, характеризует определённое физическое состояние воздуха: температуру, содержание влаги, энтальпию, относительную влажность и парциальное давление водяного пара. При изменении параметров воздуха его состояние на диаграмме изменяется, что отображается перемещением между точками — например, из состояния A в состояние B вдоль линии AB.
Адиабатическое дросселирование — это необратимое термодинамическое явление, заключающееся в понижении давления газа или жидкости при их прохождении через сужение (например, отверстие в перегородке) без внешней подачи или отвода тепла и без совершения полезной работы. Схематическое изображение процесса показано на рисунке 4.
Рисунок 4 – Адиабатическое дросселирование: I – начальное состояние с параметрами p1, T1, c1; II – конечное состояние дросселирования с параметрами p2, T2, c2; ∆p – величина изменения давления
Во время дросселирования температура газа может измениться, несмотря на отсутствие подвода или отвода тепла, так как процесс протекает с сохранением постоянной энтальпии (h = const). Это обстоятельство используется в холодильных установках, особенно при создании низкотемпературных условий.
Математическое выражение, описывающее адиабатическое дросселирование, имеет следующий вид:
Идеальный газ в процессе дросселирования демонстрирует одну важную особенность — его температура остается неизменной. Это объясняется тем, что энтальпия идеального газа однозначно зависит только от температуры, и потому при постоянной энтальпии температура также остается неизменной. Однако в реальных условиях поведение газов отличается: реальные газы при прохождении через дроссель теряют давление, но их энтальпия сохраняется постоянной, в то время как другие параметры, такие как энтропия и объем, увеличиваются. В большинстве случаев при этом наблюдается понижение температуры, хотя возможны и иные варианты.
Реальный газ в зависимости от начальных параметров (давления и температуры) может повести себя по-разному при прохождении через дроссель: его температура может либо снизиться, либо возрасти, либо остаться на прежнем уровне. Это явление имеет важное значение в криогенной и холодильной технике.
Существуют условия, при которых температура газа при адиабатическом дросселировании не изменяется вовсе. Такое состояние соответствует так называемой точке инверсии, а температура, соответствующая этой точке, называется температурой инверсии. Эта характеристика важна при проектировании холодильных систем, использующих эффект дросселирования.
Если начальная температура газа ниже температуры инверсии, то при дросселировании наблюдается охлаждение газа. В противном случае, при температуре выше инверсии, дросселирование ведет к нагреванию. Таким образом, знание температуры инверсии для конкретного вещества позволяет предсказать поведение газа в термодинамическом процессе.
Для большинства промышленных и бытовых газов, за исключением водорода и гелия, характерны довольно высокие значения температуры инверсии — порядка 600°С и выше. Поэтому в нормальных условиях, особенно в окрестности критической точки, дросселирование почти всегда приводит к снижению температуры газа. Это делает данный процесс эффективным способом получения холода в технических системах.
Получение низких и криогенных температур в холодильной технике осуществляется в том числе и при помощи адиабатических процессов расширения. Это процессы, при которых отсутствует теплообмен с окружающей средой. Расширяющийся газ выполняет механическую работу, в результате чего его внутренняя энергия уменьшается, что приводит к охлаждению. Именно это охлаждение активно используется в различных установках для получения крайне низких температур. Одним из таких устройств является детандер, или поршневой расширитель, который позволяет добиться температур, необходимых для сжижения газов и других целей криогенной технологии.
Интересным способом разделения потоков с разными температурами является вихревой эффект, который реализуется в специальных вихревых трубках (см. рис. 5). В таких трубках сжатый воздух подается по касательной и начинает вращаться с огромной скоростью. При этом распределение скорости потока зависит от радиуса: центральная часть вращается быстрее, чем периферия.
Из-за различий в кинетической энергии у центра и стенок трубы, в результате возникает температурный градиент: вдоль стенок температура воздуха повышается, а вдоль оси — понижается по сравнению с температурой исходного воздуха. Разделив потоки по температуре, можно получить одновременно холодный и горячий воздух из одного источника. Этот физический феномен известен как эффект Ранка и широко применяется в технике, где требуется локальное охлаждение без подвижных частей.
Рисунок 5 – Вихревая трубка эффект Ранка-Хилша
Еще одним способом получения низких температур, не связанным напрямую с фазовыми переходами, является термоэлектрический эффект, более известный как эффект Пельтье. Он проявляется при прохождении электрического тока через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников. При этом на одном из соединений — так называемом холодном спае — происходит поглощение тепла, а на другом — его выделение. Таким образом, появляется температурная разность, которую можно использовать для целей охлаждения.
Термоэлементы, реализующие этот эффект, состоят из двух ветвей, соединенных между собой с помощью токопроводящих шин. В узле спая происходит активное охлаждение (см. рис. 6). Такие элементы используются в мини-холодильниках, охладителях для электроники, а также в лабораторных установках.
Рисунок 6 – Элемент Пельтье
Эффективность термоэлементов определяется специальным параметром — коэффициентом добротности, который зависит от свойств материалов, из которых изготовлен термоэлемент. Чем выше этот коэффициент, тем выше возможная разность температур между горячим и холодным спаями.
Таким образом, применяя различные физические явления, будь то дросселирование, адиабатическое расширение, вихревой эффект или термоэлектрический эффект, можно организовать получение и использование низких температур, необходимых для охлаждения различных объектов, как в технических, так и в бытовых условиях.
Для того чтобы организовать охлаждение какого-либо объекта, требуется наличие двух тел: одно из них должно быть охлаждаемым, а второе — источником холода, то есть телом с более низкой температурой. Охлаждение происходит за счет теплообмена между этими телами, и длится до тех пор, пока существует температурная разность.
Для обеспечения непрерывного охлаждения, особенно в технических системах, необходимо поддерживать источник низкой температуры в постоянном рабочем состоянии. Это возможно двумя способами: либо использовать охлаждающее тело с большим запасом холода, либо — при ограниченном объеме охлаждающего вещества — восстанавливать его изначальное состояние. Именно этот второй подход лежит в основе действия большинства современных холодильных машин, которые обеспечивают постоянное и устойчивое охлаждение за счет замкнутых циклов фазовых и термодинамических превращений.
Интересные факты:
-
В точке тройного состояния вода может существовать одновременно в трех фазах: жидкой, твердой и газообразной — это уникальное явление используется в точной термометрии.
-
Температура инверсии водорода и гелия настолько низка, что при обычном дросселировании они нагреваются, а не охлаждаются.
-
Эффект Ранка позволяет разделить поток воздуха без механических частей — только за счёт вихревого движения и разности скоростей.
-
Термоэлектрический модуль Пельтье может одновременно охлаждать одну сторону и нагревать другую — и используется, например, в космических зондаx, термоконтейнерах и даже портативных холодильниках.
-
I-d диаграмма влажного воздуха — один из самых важных инструментов инженеров, проектирующих вентиляционные и кондиционерные системы.
Процессы получения низких температур охватывают широкий спектр физических явлений, от простейших фазовых переходов до сложнейших эффектов, связанных с термоэлектричеством и вихревым движением. Разнообразие применяемых методов — от адиабатического дросселирования до использования термоэлектрических элементов — позволяет подобрать оптимальный способ охлаждения для конкретной задачи, будь то промышленная установка, медицинское оборудование или лабораторный эксперимент.
Современные технологии стремятся к созданию более компактных, эффективных и экологически безопасных способов получения холода. Криогенные температуры, когда-то бывшие предметом теоретических исследований, сегодня широко применяются — от хранения вакцин до изучения квантовых состояний материи.
