2. Фізичні принципи одержання низьких температур.

Штучний холод можливо отримати двома способами: безмашинним та  машинним.

Безмашинне охолодження відбувається за рахунок зміни агрегатного стану робочих речовин.

Як охолоджуюча речовина може бути використана водна крига. Нижня границя охолоджуваного продукту в цьому випадку обмежена температурою плавлення криги 0оС. При розплавленні 1 кг криги потрібна теплота кількістю 335 кДж/кг. Це і є холодопродуктивність криги. Для зниження температури замерзання при такому способі на практиці використовують кригосоляні суміші. Так, наприклад, для суміші криги з NaCl  при концентрації С = 23,1%  -  tплавлення = -21,2оС. Для суміші криги з CaCl2 при концентрації С = 29,9% -  tплавлення = -55оС. Зниження температури плавлення кригосоляної суміші нижче 0оС пояснюється тим, що крім плавлення протікає ще процес розчинення солі в воді, який супроводжується зниженням температури.

Для безмашинного способу охолодження також використовують явище сублімації. Сублімацією називається процес переходу твердої речовини до газоподібного стану без проміжкового переходу в рідку фазу. В якості охолоджуючої речовини в цьому випадку використовують вуглецеву кислоту в твердому стані, який отримують шляхом конденсації стиснутої до високого тиску пари вуглецевої кислоти з наступним різким розширенням рідкої фази. Процес сублімації вуглецевої кислоти відбувається при t = -78,9оС.

До недоліків безмашинного способу охолодження слід віднести великі запаси охолоджуючих речовин.

При машинному способі охолодження одна й та ж речовина циркулює в холодильній машині і здійснює передачу тепла від холодного до більш теплого середовища.

Найпростішим способом машинного охолодження є дроселювання. Дроселювання – це процес зниження тиску потоку рідини, пари або газу при проходженні через дросель (кран, звуження трубопроводу, вентиль та інш.), що супроводжується зміною температури. Це явище отримало назву ефект Джоуля-Томсона.

Якщо газ при температурі навколишнього середовища піддати сильному стисненню, а потім забезпечити процес адіабатичного (без теплообміну з навколишнім середовищем) розширення при різкому пониженні тиску, то температура газу знизиться, і його можна використовувати як охолоджувач.

Наприклад, якщо повітря, стиснуте до 90 атм при температурі 200С розширити адіабатично, то його температура знизиться до -1900С.

Для одержання низької температури використовують кипіння рідких речовин, яке залежить від тиску.

Наприклад, температура кипіння води при тиску 0,0009 МПа (0,009 кН/см2) становить 5оС.

Спосіб дроселювання має широке застосування в техніці глибокого охолодження при скрапленні газів. Однак отримання низьких температур у такий спосіб пов’язано з великими енергетичними витратами.

В теперішній час найбільше розповсюдження в побутовій холодильній техніці отримати так звані парові холодильні машини (компресійної та абсорбційної дії).

У ролі холодоагенту в них використовується рідина, що кипить при від’ємній температурі.

Наприклад:  аміак (NH3) кипить при температурі -33,40С за нормального тиску;  фреон-12 - кипить при температурі -29,80С за нормального тиску.

Теплота охолоджуваного середовища передається рідкому холодоагенту та витрачається на його пароутворення при від’ємній температурі. Пари холодоагенту подаються до теплообмінного апарату, що розташований у навколишньому  середовищі, де вони віддають поглинуте тепло та перетворюється на рідину. Рідкий холодоагент знову повертається до охолоджуваного середовища, і цей круговий процес повторюється, тобто робоча речовина не витрачається, а лише циркулює, змінюючи свій агрегатний стан.

Принципова відмінність компресійних парових машин від абсорбційних полягає в тому, що в перших циркуляція робочої речовини здійснюється при роботі компресору, а в других - внаслідок процесу абсорбцій (поглинення пари холодоагенту рідким розчинником та роботи термонасосу).

В холодильних машинах також використовують термоелектричне охолодження, що основане на явищі Пельт’є. Сутність явища полягає в тому, що при проходженні постійного струму через коло,  що складається з  термоелементів, одні спаї охолоджуються, поглинаючи тепло з навколишнього середовища, а інші нагріваються, віддаючи тепло навколишньому середовищу.