Физические принципы получения низких температур.

Охлаждением называется процесс понижения температуры охлаждаемого тела. Различают естественное и искусственное охлаждение. При естественном охлаждении теплота от более нагретого тела переходит к менее нагретому телу (среде).

К основным физическим процессам, сопровождающимся поглощением теплоты, относится фазовый переход вещества при котором происходит поглощение теплоты извне: плавление или таяние при переходе тела из твёрдого состояния в жидкое, испарение или кипение при переходе тела из жидкого в парообразное состояние, сублимация при переходе тела из твёрдого состояния непосредственно в газообразное. Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических принципах, например адиабатическом дросселировании газа с начальной температурой, меньшей, чем температура верхней точки инверсии; адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы; вихревом эффекте; термоэлектрическом эффекте.

Диапазон низких температур - от температур окружающей среды да температур , близких к абсолютному нулю, - условно подразделяют на область умеренно низких (до - 153°C, или 120 k) и криогенных (ниже 120 K) температур.

Фазовый переход вещества при плавлении, кипении, сублимации происходит при соответствующих температурах и с поглощением значительного количества теплоты.

Для получения низких температур, но не ниже 0° C, может быть применён водный лёд, который при атмосферном давлении плавится при 0° C и имеет сравнительно большую величину удельной теплоты плавления 335 кДж/кг. При давлении ниже атмосферного сублимация водного льда происходит при температуре ниже 0° C, что используют при сублимационной сушке пищевых продуктов.

Самая низкая температура плавления смеси хлорида кальция со льдом достигает в криогидратной (эвтектической) точке. Она равна - 55° С при массовой концентрации хлорида кальция ξ22,9%. Источником низкой температуры может служить твёрдая углекислота (сухой лёд), имеющий при атмосферном давлении температуру сублимации – 78,5° С и удельную теплоту 574 кДж/кг.

Получение низких температур в результате использования процесса кипения распространено более широко. С помощью одного вещества можно получить определённый интервал температур, поскольку температура кипения веществ зависит от давления: с уменьшением давления температура кипения его понижается, и наоборот.

С помощью различных веществ можно получать низкие температуры в широком диапазоне.

Процесс испарения используют, например, для понижения температуры воды или влажных поверхностей.

Адиабатическим дросселированием называется процесс необратимого перехода газа (жидкости) с высокого давления на низкое (расширение) при прохождение его через сужение поперечного сечения (перегородка с отверстием, пористая перегородка) без совершения внешней работы и без сообщения и отнятия теплоты.

Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окружающей средой практически не происходит и энтальпия¹ вещества не изменяется. Полезная же работа не совершается, так как работа проталкивания переходит в теплоту трения.

При адиабатическом дросселировании реального газа, в отличии от идеального в следствии изменения внутренней энергии производится работа против сил взаимодействия молекул. Это приводит к изменению температуры газа. Изменение температуры реального газа при дросселировании называется эффектом Джоуля – Томпсона.

В зависимости от начального состояния реального газа перед дросселем температура его при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться и оставаться без изменений.

Точка, соответствующая начальному состоянию газа, в котором температура газа при адиабатическом дросселировании не изменяется и, следовательно, изменяется знак температурного эффекта, называется точкой инверсии, а температура, соответствующая этой точке, температурной инверсией.

При начальных температурах газа, которые меньше температуры инверсии, реальный газ при дросселировании будет охлаждаться а при начальных температурах больше температуры инверсии - нагреваться.

Большинство газов, за исключением водорода и гелия, имеет довольно высокую температуру инверсии (600° С и выше), поэтому практически для всех газообразных веществ в области, близкой к критической, адиабатическое дросселирование приводит к понижению температуры.

При адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы получение низких температур возможно при любом состоянии газа, так как температура изменяется в сторону понижения.

отличии от адиабатического дросселирования, в этом случае эффект возможен и для идеального газа, при этом величина понижения температуры в процессе адиабатического расширения газа при прочих равных условиях бывает больше, чем в процессе адиабатического дросселирования.

Адиабатическое расширение газа в детандре (расширителе) используют для получения криогенных температур.

Вихревой эффект достигает в вихревых трубах при подаче в них по тангенциальному вводу сжатого воздуха, имеющего температуру окружающей среды. Скорость вращения воздуха в трубе обратно пропорциональна радиусу. Центральная часть вращающегося потока имеет большую скорость, чем периферийная, вследствие чего температура воздуха у стенке трубы выше, а в центе ниже, чем температура подаваемого в трубу воздуха. Можно получить потоки воздуха с низкой и высокой температурами, если разделить центральную и периферийную часть потока. Это явление называется явлением Ранка.

Термоэлектрический эффект, известный как эффект Пельтье, заключается в следующем: при прохождении постоянного электрического тока через цепь, состоящую из двух разнородных проводников, или полупроводников, один из спаев имеет низкую температуру, а другой – высокую.

Холодный спай термоэлемента, состоящий из двух ветвей, соединённых токоведущими шинами, является источником низкой температуры.

Основной показатель качества термоэлемента – коэффициент добротности (эффективность вещества), определяющий максимальную разность температур горячего и холодного спаев.

Таким образом, осуществляя определённый физический процесс, можно получить источник требуемой низкой температуры, необходимый для понижения температуры тела, т. е. для его охлаждения.

Для осуществления процесса охлаждения необходимо иметь два тела: охлаждаемое и охлаждающее – источник низкой температуры. Охлаждение продолжается, пока между телами происходит теплообмен. Источник низкой температуры должен функционировать постоянно, так как охлаждение должно осуществляться непрерывно. Это возможно при достаточном большом запасе охлаждающего вещества (тела) или при его конечном количестве, если восстанавливать первоначальное состояние вещества. Последний метод непрерывного получения низкой температуры широко применяется в холодильной технике с использованием различных холодильных машин.

Безмашинные способы получения холода основываются на плавлении, испарении, сублимации, а в термоэлектрических охлаждающих устройствах – на эффекте Пельтье.

Холодильный транспорт.

Холодильный транспорт соединяет стационарные звенья непрерывной холодильной цепи, обеспечивая неизменность температуры продуктов при перемещении их от звена к звену. Особенно велико значение холодильного транспорта для стран с большими расстояниями между регионами производства продуктов питания и их потребления. Большое значение имеет холодильный транспорт и при торговле продуктами питания между странами.

Существующие виды холодильного транспорта представлены железнодорожным, автомобильным и водным транспортом.

На долю железнодорожного холодильного транспорта приходится основной объём перевозок крупных оптовых партий охлаждённых или замороженных продуктов. Основу современного железнодорожного холодильного транспорта составляют автономные изотермические рефрижераторные вагоны или рефрижераторные поезда (секции) с постоянным числом вагонов.

Каждый автономный рефрижераторный вагон оснащён холодильной машиной для поддержания требуемых температурных условий в охлаждаемых помещениях и дизель – генераторной установки для привода компрессора холодильной машины. Рефрижераторные поезда и секции имеют, как правило, централизованную систему холодоснабжения. Холодильная машина и дизель – генераторная установка размещаются в специальном вагоне (машинном отделении), из которого охлаждённый рассол подаётся в грузовые вагоны.

По назначению рефрижераторные вагоны разделяются на специальные и универсальные. Специальные вагоны используются для конкретных видов охлаждённых или заморожённых продуктов – молочные и винные цистерны – термосы, вагоны для перевозки живой рыбы и пр. Универсальные вагоны применяются для перевозки любых видов скоропортящихся пищевых продуктов, включая продукты животного и растительного происхождения.

Автомобильный холодильный транспорт является основным видом холодильного транспорта, связывающего внутригородские холодильные предприятия, например, распределительные холодильники и холодильники предприятий торговли и массового питания. В последнее время возрастает роль автомобильного холодильного транспорта в междугородных и международных перевозках охлаждённых или замороженных продуктов.

Автомобильный холодильный транспорт представлен двумя видами – изотермическими и рефрижераторными автомобилями.

Изотермические автомобили оснащены теплоизолированными кузовами без системы охлаждения. Пониженная температура в объёме кузова автомобиля поддерживается за счёт теплоты, аккумулированной перевозимыми продуктами. Температура воздуха в нутрии кузова не регулируется, и её колебания достаточно велики. В некоторых случаях для снижения температуры воздуха в кузов изотермического автомобиля помещают сосуды с водным льдом, сухую твёрдую углекислоту или аккумуляторы холода с эвтектическими растворами (зероторы). Основной областью применения изотермического холодильного транспорта являются внутригородские перевозки охлаждённых или замороженных продуктов из распределительных холодильников на предприятия торговли и массового питания.

Рефрижераторные автомобили (или авторефрижераторы) оснащёны автономной холодильной машиной или установкой с системой автоматического поддержания температуры в кузове. Работа холодильной машины должна обеспечивать заданные температурные условия в кузове автомобиля в течении 12 часов без дополнительного обслуживания. В зависимости от назначения и температурного уровня внутри кузова t_вн. авторефрижераторы подразделяются на следующие классы:

класс А – t_вн = 12 … 0 ⁰С; класс D – t_вн ≤ 2 ⁰C;

класс B – t_вн = 12 … -10 ⁰С; класс E – t_вн ≤ -10⁰С;

класс C – t_вн = 12 … -12⁰С; класс F – t_вн ≤ -20⁰С.

Авторефрижераторы класса A, B, C автоматически поддерживают любую заданную температуру в указанных интервалах, а класс D, E и F поддерживают температуру в кузове автомобиля не выше установленного значения. Авторефрижераторы классов B, C, E и F оснащаются усиленной теплоизоляцией кузова.

Водный холодильный транспорт является также одним из звеньев холодильной цепи и предназначен для доставки выловленной и переработанной речной, морской или иной продукции к месту потребления, дальнейшей обработки или хранения.

Речной или морской водный транспорт, оснащённый теплоизолированными помещениями и установками для искусственного поддержания температурных условий, получил название рефрижераторного.

В зависимости от схемы организации лова и переработки речной или морской продукции водный холодильный транспорт может выполнять не только транспортные функции, но и первичную (охлаждение или замораживание) обработку.

Транспортные рефрижераторные суда могут быть специализированными или универсальными.

Специализированные рефрижераторные суда подразделяются на две категории:

высокотемпературные, для перевозки фруктов, овощей, яиц, охлаждённой и малосолёной рыбы;

низкотемпературные, для перевозки замороженной речной или морской продукции.

Наибольшее распространение получили универсальные рефрижераторные суда, предназначенные для перевозки разнообразного ассортимента скоропортящихся охлаждённых или замороженных продуктов в широком диапазоне температур охлаждаемых камер.

В случае необходимости комбинированной доставки охлаждённых или замороженных продуктов от места производства дол места потребления водным, железнодорожным и автомобильным транспортом используются контейнерные перевозки.

Контейнеры для перевозки скоропортящихся продуктов имеют теплоизолированные ограждения и автономную холодильную машину для поддержания требуемых температурных условий в охлаждаемом объёме. В зависимости от объёма и грузоподъёмности контейнеры разделяются на следующие:

· крупнотоннажные – грузоподъёмностью брутто 10 … 30 т и охлаждаемым объёмом 10 … 50 м³;

· среднетоннажные - грузоподъёмностью брутто 2,5 … 10 т и охлаждаемым объёмом 3 … 8 м³;

· малотоннажные - грузоподъёмностью брутто до 1,5 т и охлаждаемым объёмом 3 м³.

Способы и система охлаждения контейнеров идентичны применяемы в авторефрижераторах.

В крупно – и среднетоннажных контейнерах перевозят мясо, мясопродукты, молочные продукты, рыбопродукты, яйцо, пищевые консервы, фрукты и овощи.

Малотоннажные контейнеры применяются для перевозок мороженного, полуфабрикатов и готовых кулинарных изделий, мясных и молочных продуктов, а также медикаментов, биопрепаратов и других скоропортящихся грузов.

Универсальная система крепления контейнеров позволяет быстро устанавливать их на железнодорожной платформе, прицепе автомобиля, в трюме или на палубе сухогрузного судна.