КАСАТКИН

Другие методы получения низких температур

Кроме дросселирования и расширения сжатого газа в детандере (с совершением внешней работы) для охлаждения могут быть использованы различные другие физические процессы.

К числу их относятся процессы фазовых переходов (плавление, кипение, сублимация и др.), сопровождающиеся довольно значительным поглощением тепла. Для охлаждения можно использовать процесс плавления льда. Однако при этом лед чистой воды дает возможность производить охлаждение практически лишь до температуры его плавления (0 °С). Для понижения температуры плавления применяют охлаждающие смеси, состоящие из измельченного льда (или снега) с солью, например хлористым натрием или хлористым кальцием. Так, смеси растворов хлористого кальция со льдом пригодны для охлаждения до температур —55 °С.

Другие методы, приводимые ниже, хотя и не нашли пока промышленного применения (или имеют весьма ограниченное применение), но представляют интерес как возможные физические методы получения низких температур.

654

Гл. XVII. Искусственное охлаждение

Вихревой эффект. Этот эффект может быть использован для получения охлажден- ного от —10 до —60 °С газа с помощью простого устройства—вихревой трубы (рис. ХУП-4). Сжатый газ (воздух) с большой скоростью (200—400 м/сек) вводится тангенциально через сопло 1 в трубу 2, где в условиях сложного вихревого движения осуществляется расслое- ние газа на горячий и холодный потоки. Нагретые внешние слои газа движутся справа налево и удаляются через дроссельный вентиль 3, имея температуру 50—100 °С, а охлаж- денные внутренние слои газа движутся в противоположном направлении и удаляются че- рез отверстие диафрагмы 4, установленной справа от*сопла. Температуры потоков регу- лируются степенью открытия вентиля 3.

Происходящие в вихревой трубе явления очень сложны и пока недостаточно изучены. При поступлении газа в трубку давление его падает от первоначального (в несколько атмо- сфер) до атмосферного и газ расширяется. Расширение газа происходит по мере его про- движения в трубке по спирали от периферии к центру. В этом же направлении должна увеличиваться и скорость газового потока, а следовательно, и его кинетическая энергия. Однако вследствие трения между слоями каждый слой газа часть своей кинетической энер- гии передает соприкасающемуся с ним внешнему слою. Таким образом, внешние слои газа получают от внутренних кинетическую энергию, значительная часть которой расходуется

на трение, что и приводит к нагреванию газа во внешних слоях. Внутренние же слои, отдающие часть своей кинетической энергии внешним, имеют более низкую температуру.

Несмотря на относительно низкую термодинамическую эффективность этого способа получения холода, вихревые тру- бы перспективны для одновременного производства тепла и холода в тех слу- чаях, когда требуется периодически по- лучать небольшие количёства холода или если имеются дешевые ресурсы сжатых газов, например природных или отходя- щих. Основным преимуществом вихрево- го охлаждения является простота уст- ройства и надежность эксплуатации вих- ревых груб.

Магнитно-калорический эффект. Очень низкие температуры могут быть получены методом адиабатического размагничивания парамагнитных веществ, при котором, так же как при адиабатическом расширении газа, работа против внешних сил совершается за счет затраты внутренней энергии системы н поэтому приводит к резкому снижению температуры.

Для охлаждения этим способом парамагнитное вещество (обычно брусок парамагнитной соли) выдерживается при постоянной температуре в условиях глубокого вакуума, например в ванне кипящего гелия. Вещество находится под действием сильного магнитного поля. При выключении поля происходит адиабатическое размагничивание, позволяющее охладить парамагнитное вещество до температуры, близкой к абсолютному нулю. В настоящее время созданы магнитные холодильные машины, использующие этот эффект для получения температур ниже 1 ^вК (при очень малых холодопроизводительностях).

Термоэлектрический эффект. При пропускании электрического тока по цепи, состоящей из двух разных проводников, спаянных друг с другом, один из спаев охлаждается, а другой нагревается (эффект Пельтье). В случае применения вместо обычных металлов полупроводников термоэлектродвижущая сила которых во много раз превышает соответствующие значения для металлов, открывается перспектива использования термоэлектрического охлаждения для получения низких температур. Для этой цели должны быть созданы батареи эффективных термоэлементов, изготовленных из полупроводников.

УМЕРЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

При умеренном охлаждении в качестве холодильных агентов обычно используют газы, критические температуры которых выше температуры окружающей среды. За нижний предел температур, достигаемых с помощью умеренного охлаждения, как указывалось, условно принимают температуру—100 °С, которая может быть достигнута в холодильном цикле с этиленом в качестве холодильного агента.

Yandex.RTB R-A-252273-3
Содержание
Yandex.RTB R-A-252273-4