Процессы внешнего и внутреннего охлаждения

Любой цикл криогенной установки, вырабатывающий холод, включает несколько процессов, по крайней мере, один из них должен сопровождаться эффектом понижения температуры. Не все процессы, сопровождающиеся понижением температуры, являются холодопроизводящими, т.е. процессами, идущими с отводом теплоты от охлаждаемого объекта или рабочего тела. Например, процесс дросселирования не является холодопроизводящим, хоть и сопровождается в реальных условиях изменением температуры.

Рис. 9. Направленность процессов внешнего (а) и внутреннего (б) охлаждения

Процессы охлаждения можно условно подразделить на 2 группы.

1. Процессы внешнего охлаждения (рис. 9, а) подразумевают изменение внешнего состояния тела при отводе от него теплоты. Для того чтобы осуществить этот процесс, необходимо:

а) создать внешнюю холодопроизводящую систему;

б) организовать процесс теплообмена между окружающей средой и охлаждаемым объектом.

2. Процессы внутреннего охлаждения (рис. 9, б) подразумевают понижение температуры тела или поддержание ее на заданном уровне без отвода теплоты во внешнюю среду.

Если криогенная система изолирована от окружающей среды и других источников тепла, то при любом изменении параметров внешнее охлаждение будет происходить с уменьшением энтропии охлаждаемого объекта, а при внутреннем охлаждении изменение энтропии охлаждаемого тела – ds ≥ 0.

Процессы внутреннего охлаждения делятся на три группы.

1. Внутреннее охлаждение посредством использования сил межмолекулярного взаимодействия самого рабочего тела. Перераспределение энергии происходит внутри рабочего тела.

1.1. Дросселирование

ds > 0 dh = 0 dp < 0 dm = 0

Адиабатное расширение газа в условиях стационарного течения без совершения внешней работы и приращения скорости. Процесс характеризуется условием сохранения энтальпии (h = const); реализуется при помощи дроссельных вентилей; не является холодопроизводящим. Температура может понижаться или повышаться в зависимости от параметров состояния.

1.2. Изобарное смешение или растворение

ds > 0 dh = 0 dp = 0 dm = 0

Смешение или растворение веществ в жидком, твердом или газообразном состоянии, сопровождающиеся отрицательным тепловым эффектом растворения (температура снижается, так как теплоемкости смеси больше суммы парциальных теплоемкостей компонентов). Методом растворения жидкого 3He в 4He II достигнуты температуры»2 мК. Процесс не является холодопроизводящим.

2. Внутреннее охлаждение посредством внешних сил. Энергия рабочего тела отдается за пределы контрольного объема.

2.1. Расширение газа в детандерах

ds ³ 0 dh < 0 dp < 0 dm = 0

Адиабатическое расширение с совершением внешней работы. Идеальный процесс характеризуется условием s = const; является в цикле холодопроизводящим; температура всегда понижается; реализуется при помощи детандеров.

2.2. Выхлоп, выпуск газа из сосуда

ds ³ 0 dh < 0 dp < 0 dm < 0

адиабатическое расширение с совершением внешней работы. Процесс, осуществляемый в неравновесных условиях. Он характеризуется условием a s = const; является холодопроизводящим; температура всегда понижается; реализуется быстрым выпуском газа; является одним из рабочих процессов поршневых детандеров.

2.3. Откачка, испарение рабочего тела при постоянном его отводе

ds 0 dp < 0 dh < 0 dm < 0

Адиабатная откачка паров кипящей жидкости; испаряющийся пар уменьшает энергию остающейся жидкости, которая при этом охлаждается. Реализуется с помощью вакуумных насосов; для остающейся части жидкости является холодопроизводящим процессом в цикле; достигаются температуры:

2.4. Десорбция

ds > 0 dp < 0 dh < 0 dm < 0

Адиабатная десорбция − откачка с поверхности адсорбента молекул адсорбата, которые, покидая поверхность, уменьшают энергию остающихся молекул и адсорбента. Процесс является холодопроизводящим.

2.5. Адиабатическое размагничивание парамагнетиков

ds 0 dh < 0 dp = 0 dm = 0

При наложении магнитного поля на парамагнитное вещество выделяется теплота. Если ее отводить, происходит изотермическое уменьшение энтропии. Затем, после снятия внешнего магнитного поля, происходит размагничивание с уменьшением температуры. Процесс холодопроизводящий используется для получения сверхнизких температур для создания рефрижераторов растворения.

3. Внутренне охлаждение путем перераспределения внутренней энергии в потоке рабочего тела. Эффект Ранка реализуется в вихревых трубах.

ds > 0 dh < 0 dm ≤ 0 dp < 0

Вихревое энергетическое разделение − возникновение температурного расслоения (градиента температуры) при расширении газа в условиях стационарного вихревого течения в результате энергетического взаимодействия частиц в вязком завихренном потоке. Реализуется в вихревых трубах, поток разделяется на горячий (периферийный) и холодный (центральный); для охлажденной части потока процесс является холодопроизводящим.

Сжатие реальных газов