Области применения низких температур

Холодильные установки относятся к группе систем преобразования энергии, известных под названием термотрансформаторов. Их назначение – отвод теплоты от теплоотдатчика на низком температурном уровне Т 0 и подвод к теплоприемнику на более высоком уровне.

Холодильныеустановки (уровень отвода теплоты Т 0 120 К) предназначены для охлаждения и поддержания при низкой температуре различных объектов и технических систем.

Криогенные установки предназначены для тех же целей, но при температурах существенно более низких (уровень отвода теплоты Т 0 120 К). Криогенные установки используют для низкотемпературного разделения газовых смесей (воздуха, природного газа и др.) и ожижения газов (кислорода, азота, водорода, гелия, метана и др.).

Работа холодильных и криогенных установок определяется процессами внутреннего охлаждения, которые обеспечивают необходимое понижение температуры рабочего тела. В технике используют в основном три способа внутреннего охлаждения:

1) дросселирование рабочего тела в виде жидкости, влажного пара или газа в области, близкой к пограничной кривой жидкости (эффект Джоуля-Томпсона);

2) детандирование рабочего тела в виде жидкости, влажного пара (расширение ведется в специальном устройстве – детандере с отдачей внешней работы);

3) пропускание электрического тока через спай соединенных попарно полупроводников р- и п- типов (эффект Пельтье).

Первые два способа применяют как раздельно, так и в сочетании и в холодильных и в криогенных установках, третий – только в холодильных. Кроме того, в некоторых случаях для охлаждения используются эффект понижения температуры при взаимном растворении веществ, вихревой эффект температурного разделения газа (эффект Ранка) и др.

Перечисленные способы охлаждения с использованием каскадного метода или регенерации теплоты позволяют образовать все множество современных холодильных и криогенных установок.

По агрегатному состоянию рабочего тела установки делятся на:

- газовые, в которых рабочее тело во всех процессах остается в газообразном состоянии;

- газожидкостные, в теплой части которых рабочее тело находится в виде газа при температурах, далеких от критической, а в холодной части – в виде влажного пара и жидкости;

- парожидкостные, в которых рабочее тело находится либо в виде жидкости и влажного пара, либо в виде перегретого пара при температурах ниже критической или близкой к ней;

- твердотельные, в которых для охлаждения используется твердое рабочее тело.

Парожидкостные холодильные установки в зависимости от принципа работы делятся на три вида:

1) парокомпрессионные, работа которых основана на сжатии в компрессоре сухого насыщенного или незначительно перегретого пара рабочего тела;

2) абсорбционные, в которых сжатие пара основано на абсорбции рабочего тела при температуре окружающей среды и его десорбции при более высокой температуре;

3) струйные, в которых сжатие рабочего тела производится путем использования кинетической энергии рабочего тела.

Рабочие тела, используемые в холодильных установках, называются хладоагентами, в криогенных – криоагентами. Вещества, используемые для передачи теплоты от охлаждаемого объекта к рабочим телам установок, называются хладоносителями.