холодильные процессы

ХОЛОДИЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

обеспечивают непрерывное искусств, охлаждение разл. веществ (тел) путем отвода от них теплоты. Естеств. охлаждение с помощью холодной воды или воздуха позволяет охладить вещество до температуры охлаждающей среды и не требует подвода энергии. Охлаждение до более низких температур происходит в искусств. холодных средах, на создание которых расходуется мех., тепловая или хим. энергия. Охлаждение до температур выше 120 К принято наз. умеренным, ниже — глубоким или криогенным.

Искусственные холодные среды. Для их получения необходим перенос теплоты с низкого на более высокий температурный уровень, которым, как правило, является температура окружающей среды. Этот перенос осуществляется с использованием т. наз. обратимых круговых термодинамич. циклов, которые в промышленности обычно реализуются в холодильных установках. В последних холодная среда создается с помощью рабочих тел, наз. холодильными агентами или просто хладагентами (вода, NH₃, пропан-пропиленовые смеси, хладоны, сжиженные газы — воздух, N₂, H₂, Не и др.).

В лаб. практике холодные среды получают, приготовляя т. наз. охлаждающие смеси- системы из двух или неск. твердых (либо твердых и жидких) веществ, при смешении которых вследствие поглощения теплоты при плавлении или растворении происходит понижение температуры. Наиб. употребительны смеси из льда и NaCl (достигаемая температура от −20 до −21,2 °C), льда и CaCl₂ х 6H₂O ( −40 °C), твердого CO₂ и этанола ( −77 °C) и др. Для достижения криогенных температур в лабораториях применяют сжиженные газы, напр. N₂ (см. также теплообмен).

Термодинамические основы получения холода. Согласно второму началу термодинамики, указанный выше перенос теплоты самопроизвольно не происходит, требуя затрат работы. В термодинамич. процессах подвод или отвод теплоты q описывается через изменение энтропии dS системы: dq = TdS, где Т — температура. Отсюда следует, что при подводе к телу теплоты его энтропия возрастает, а при отводе теплоты — уменьшается. В непрерывных Х. п. хладагент должен принять теплоту от охлаждаемого тела на ниж. температурном уровне, отдать теплоту на верх. уровне к.-л. теплоприемнику и вернуться в исходное состояние. Поэтому в установившемся процессе суммарная энтропия хладагента не изменяется (dS=0).

Поскольку при передаче теплоты от охлаждаемого тела энтропия хладагента повышается, в любой холодильной установке должен проходить иной (компенсирующий) процесс, при котором энтропия хладагента уменьшается. В общем случае энтропия м. б. представлена как функция температуры и к.-л. другого параметра тела (напр., давление, фазовое состояние, степень намагниченности). Поэтому, если имеется изотермич. или близкий к нему процесс, в котором наблюдается значит. изменение энтропии при изменении иного параметра, то подобный процесс можно рассматривать как потенциальную основу для создания холодильных установок. К таким процессам относятся, напр., изотермич. процессы сжатия либо адсорбции газов, намагничивания парамагнетиков и сверхпроводников. При этом низкая температура достигается соотв. в адиабатич. процессах расширения и десорбции газов, размагничивания парамагнетиков и сверхпроводников (см. ниже).

Перечисленные и иные процессы искусств. охлаждения в большинстве случаев осуществляются: 1) путем теплообмена между охлаждаемыми веществами и хладагентами — испаряющимися низкокипящими жидкостями, температура которых за счет уменьшения энтальпии i понижается до температуры кипения при давлении испарения; 2) изоэнтальпийным (i = const) расширением газов, предварительно сжатых в компрессорах, или жидкостей при их прохождении через сужение (вентиль, кран, пористая перегородка), т. е. их дросселированием (процесс протекает адиабатически без совершения внеш. работы) с использованием эффекта Джоуля — Томсона, или дроссельного эффекта,- отрицат. либо положит. изменения температуры тела при отсутствии подвода к телу или отвода от него теплоты; 3) адиабатическим (изоэнтропийным, S = const) расширением газов с совершением внеш. работы в т. наз. детандерах — машинах, устроенных подобно поршневому компрессору или турбокомпрессору (см. компрессорные машины); 4) сочетанием обоих методов расширения. Эти и другие методы получения холода рассмотрены ниже.

Принцип работы холодильных установок. Его удобно иллюстрировать с помощью идеального (воображаемого) Х. п. (цикла) в координатах р — V (рис. 1; р, V- давление в системе и ее объем). При сжатии в компрессоре (процесс ВbА) рабочего тела его температура Т повышается; при этом в окружающую среду с температурой Т₀ передается удельная (на единицу количества хладагента) теплота q₀ (площадь AbBdcA) и энтропия рабочего тела понижается; в конце сжатия Т = Т₀. При послед. расширении (процесс АаВ) хладагента его температура понижается. Затем к нему от охлаждаемой среды переносится теплота q_x(площадь AaBdcA) и энтропия рабочего тела возрастает.

Повторяя указанные процессы, получают непрерывный круговой холодильный цикл с постоянной холодопроиз-водительностью q_x (количество теплоты, отнимаемой от охлаждаемого тела). Расходуемая в цикле мех. работа l_ц (площадь АаВbА), параметры q₀ и q_x по закону сохранения энергии связаны между собой выражением: q₀ = q_x + l_ц. Энергетич. показатели цикла характеризуются т. наз. холодильным коэффициентом Во всех идеальных циклах l_ц минимальна, а ε максимален.

_{Рис. 1. Идеальный холодильный цикл.}

Идеальные холодильные циклы и установки

Термодинамич. совершенство реального (необратимого) цикла оценивается сравнением его параметров с параметрами идеального (обратимого) цикла. Отношение холодильного коэф. реального цикла к холодильному коэф. соответствующего идеального цикла наз. термодинамическим коэффициентом цикла

Известны схемы и параметры ряда идеальных циклов: охлаждения, термостатирования, конденсации, сжижения и др.

Идеальный цикл охлаждения. Схема установки, работающей по этому циклу, и его изображение в координатах Т -S показаны на рис. 2 (здесь и далее точками 1, 2, 3,..., n обозначены стационарные характерные состояния рабочего тела, а изменения его параметров, отвечающие происходящим в установке процессам, изображены линиями 1–2 и т. д.). Хладагент изотермически сжимается в компрессоре K₁ от давления р₁ до давления р₂(процесс 1–2), при этом теплота сжатия q₀ отдается в окружающую среду. Затем происходит адиабатич. расширение рабочего тела в детандере (процесс 2–3, S = const), где за счет совершения работы l_д хладагентом его температура понижается до Т_x=Т₃. В теплообменнике ТО рабочее тело нагревается (процесс 3–4) до температуры Т₄ путем подвода к нему теплоты q_xот охлаждаемого тела (процесс 4'-3') и адиабатически сжимается (процесс 4–1) в компрессоре K₂ до начальных параметров (точка 1). Процесс в ТО характеризуется отсутствием гидравлич. потерь, а также равенством температур охлаждаемого и рабочего тел во всех сечениях аппарата. Температура охлаждаемого тела уменьшается, а затрачиваемая работа l_ц = l_K1 + l_K2 — l_д = q₀ – q_x, где l_K1 и l_K2 — работы изотермич. и адиабатич. сжатия хладагента в компрессорах.

_{Рис. 2. Идеальный цикл охлаждения.}

В тепловых расчетах холодильных циклов удобно использовать связь между изменением энтальпии di хладагента и изменениями его теплоты и рабочих параметров, выражаемую уравнением: di = dq + Vdp. Отсюда для наиб. распространенного на практике изобарного охлаждения имеем: q_x = i₄ — i₃ и l_ц = T₀(S₁ - S₂) — (i₄ — i₃), гдe i₃ и i₄ — энтальпии рабочего тела. На рис. 2 работе l_ц эквивалентна площадь 12341, количеству отведенной теплоты q₀ — площадь 12ab1, количеству подведенной к хладагенту или отведенной от охлаждаемого тела теплоты q_x — площадь аb43а (здесь и далее заштрихована). В общем случае обратимый процесс 3–4 м. б. не только изобарным, тогда

где С — теплоемкость хладагента.

_{Рис. 3. Идеальный цикл термостатирования.}

Этот цикл принимается в качестве идеального для воздушных холодильных, а также криогенных газовых и рефрижераторных установок (см. ниже).

Идеальный цикл термостатирования (рис. 3). Установка отличается от описанной выше тем, что вместо ТО имеется второй детандер, в котором рабочее тело изотермически расширяется при температуре Т_х с совершением работы l_Д2 и подводом теплоты q_x от термостатируемого объекта. Холодопроизводительность установки:

Количество теплоты, отводимой в окружающую среду:

Работа цикла:

Этот цикл, часто наз. также обратным циклом Карно, принимается как идеальный для большинства холодильных и криогенных установок (включая газовые), а также установок кристаллизации. Холодильный коэф. цикла не зависит от свойств хладагента и определяется только температурами окружающей среды (T₀) и термостатирования (Т_х), т. е.

В идеальных условиях для получения холода на разл. температурных уровнях примерный миним. расход энергии составляет: для достижения q_x = 1 Вт на уровне 1 К — ок. 300 Вт, на уровне 200 К — всего 0,5 Вт. Реальные затраты энергии значительно выше, особенно в области низких температур.

В случае протекания всех процессов в области влажного пара при равновесии жидкость — пар (рис. 4; здесь и далее под кривой KLM) изотермы T₀, Т_хи изобары p₁, p₄ совпадают. Схема холодильной установки упрощается: она включает только компрессор и детандер для изоэнтропийного сжатия (процесс 4–1) и расширения (процесс 2–3), а также теплообменник (конденсатор) ТК и теплообменник (испаритель) ТИ, обеспечивающие обратимые процессы передачи теплоты.

_{Рис. 4. Идеальный цикл термостатирования в области влажного пара.}

_{Рис. 5. Идеальный цикл сжижения газов.}

Приведенные выше формулы для данного случая также справедливы. По такой принципиальной схеме работает большинство установок умеренного холода.

Идеальный цикл сжижения газов (рис. 5). Рабочее тело изотермически сжимается в компрессоре К от давления p₁ до давления р₂, расширяется в детандере Д до состояния чистой жидкости [точка 3(f)] и направляется в теплообменник ТО. В нем жидкий хладагент в результате кипения (процесс 3–4) превращается в пар (точка 4), который затем нагревается до начальной температуры Т₀ (точка 1). Одновременно сжижаемое вещество подвергается обратным изменениям: охлаждается (процесс 1'-4') от Т₀до температуры Т_x, при которой конденсируется (процесс 4'-3') до получения чистой жидкости [точка 3'(f)]. Поскольку все процессы данного цикла обратимы, работа его равна:

Общее количество теплоты, отведенной от сжимаемого газа в изобарном процессе 1-4-3(f), составляет: q_x = q_oxл + q_конд = i₁ — i_f, а холодильный коэф.

где i_f — энтальпия чистой жидкости.

Показатели этого цикла используются как базовые в установках сжижения газов.

Реальные холодильные циклы и установки

Холодильные циклы и установки, применяемые на практике, значительно отличаются от идеальных. Это обусловлено прежде всего тепловыми и гидравлич. потерями, а также несовершенством происходящих в установках процессов (не-дорекуперация теплоты, утечка и перетечка хладагента и др.); в ряде случаев — несовершенством собственно холодильных циклов.

Достигаемые в установках температура, холодопроизводительность и затраты мех. работы существенно зависят от вида и свойств хладагентов. Последние должны обладать способностью поглощать при испарении большое количество теплоты, иметь малые уд. объемы пара, невысокие критич. температуры, вязкости и плотности, высокие коэф. теплоотдачи и теплопередачи, раств. в воде, быть безвредными, пожаробезопасными, доступными и недорогими. Полностью удовлетворить все эти требования не может ни один из применяемых в настоящее время хладагентов. Поэтому при их выборе учитывают назначение холодильных установок, условия их работы и конструктивные особенности.

Установки для получения умеренного холода, наз. также холодильными машинами, подразделяются на воздушные и паровые, а последние — на компрессионные, абсорбционные, адсорбционные и пароэжекторные. Наиб. распространены парокомпрессионные, абсорбционные и пароэжекторные машины.

Парокомпрессионные машины (рис. 6) вырабатывают холод, используя кипение жидкостей при низких температурах с послед. сжатием образовавшихся паров и их конденсацией. Пары хладагента сжимаются в компрессоре К до давления конденсации р_конд и сжижаются в конденсаторе ТК, отдавая теплоту конденсации охлаждающей воде или в окружающий воздух. Жидкий хладагент с помощью устройства Др дросселируется до давления кипения р_кип, при этом его температура снижается до температуры кипения Т_кип. За счет отвода в испарителе теплоты от охлаждаемого объекта жидкость кипит, а образующиеся пары засасываются компрессором и сжимаются. На практике из-за опасности разрушения компрессора при сжатии парожидкостной смеси (процесс 1–2) жидкость полностью испаряют (процесс 1-1') и сжимают только парообразный хладагент (процесс 1'-2'), который в результате оказывается несколько перегрет (точка 2'). В конденсаторе теплоту перегрева отводят охлаждающей водой (процесс 2'-2): кроме того, для снижения расхода энергии на единицу отнятой от охлаждаемого тела теплоты конденсат немного переохлаждают (процесс 3-3').

_{Рис. 6. Схема парокомпрессионной машины и ее холодильный цикл.}

Давления р_кип и р_конд однозначно связаны с Т_кип и температурой конденсации Т_конд свойствами хладагента, а Т_конд определяется температурой окружающей среды; поэтому наинизшая температура в машине зависит от отношения р_конд/р_кип , т. е. только от возможностей компрессора. Если это отношение велико, сжатие производится в многоступенчатом компрессоре. В рассматриваемых машинах достигают охлаждения до Т_х= 165 К, q_х от 30–80 до 5 кВт, = 0,5–7, = 0,3–0,5.

В абсорбционных машинах (рис. 7) пары хладагента поглощаются жидким абсорбентом, из которого они затем десорбируются и сжижаются. В качестве хладагента обычно применяют NH₃, а в качестве абсорбента — воду. Пары NH₃ сжижаются в конденсаторе ТК, теплота конденсации q_конн отводится охлаждающей водой или воздухом. В испаритель ТИ дросселируется жидкий NH₃, при этом его температура снижается до Т_х. За счет отвода теплоты q_x от охлаждаемой среды NH₃ кипит, а его пары поступают в абсорбер Аб, где поглощаются разб. раствором аммиачной воды, непрерывно подаваемой через вентиль Вн; теплота абсорбции q_аб отводится H₂O. Обогащенный раствор аммиачной воды подается насосом Н в подогреватель (кипятильник) Пд, где пары NH₃ отгоняются. Коэф.= q_x/(q_пд + q_н), где q_пд — теплота, подводимая в кипятильнике, q_н — теплота, эквивалентная мех. работе насоса.

_{Рис. 7. Схема абсорбционной машины.}

Теоретически при одинаковых температурах кипения и конденсации хладагента для абсорбц. и паровых компрессионных машин холодильные коэф. равны, однако при низких температурах Т_хкомпрессионные машины более эффективны. Достоинство абсорбц. машин — возможность использования в них низкопотенциальных источников теплоты; недостатки — громоздкость и большой расход воды. В машинах этого типа температура охлаждения достигает 208 К, q_x = 290 — 7300 кВт, = 0,5–0,8.

Пароэжекторные машины (рис. 8) работают с затратой теплоты; сжатие хладагента осуществляется паровым эжектором, а конденсация — перемешиванием с водой. Рабочий водяной пар под давлением 0,8–1,0 МПа подводится из парогенератора к соплу эжектора Эж, где расширяется, создавая разряжение в испарителе ТИ, смешивается с отсасываемым из него паром и поступает в диффузор под давлением конденсации. В конденсаторе ТК водяной пар сжижается, конденсат частично подается в испаритель для восполнения потерь, а его осн. масса возвращается в парогенератор. При испарении в ТИ вода охлаждается, по замкнутому контуру поступает к холодильной камере ХК, подогревается и возвращается в испаритель. Для этих машин Т_х достигает 283 К. Коэф.(q_паp теплота, затрачиваемая на получение пара высокого давления), значительно ниже, чем для парокомпрессионных, а в некоторых случаях и абсорбц. машин.

_{Рис. 8. Схема пароэжекторной машины.}

Установки для получения холода на криогенном уровне

(КУ). Эти установки, наз. также просто криогенными, по назначению бывают рефрижераторные (вырабатывают низкотемпературный холод), ожижительные, газоразделительные и комбинированные. По способу получения холода различают след. циклы КУ: с дросселированием (i = const), расширением в детандере (S = const), дросселированием и расширением в детандере, криогенных газовых машин, с выхлопом газа из постоянного объема и др.

В циклах КУ особенно важен способ отвода теплоты от охлаждаемого тела, которое при охлаждении "приобретает" все температуры от Т₀ до Т_х. Идеальным для данного случая является процесс 4'-3' (рис. 2) или процесс 1'-4' (рис. 5), т. е. непрерывный отвод теплоты на каждом температурном уровне в интервале Т₀ – Т_х. В реальных циклах осуществить такой отвод теплоты невозможно. Некоторого приближения к этому способу можно достигнуть применением ряда ступеней охлаждения на неск. промежуточных уровнях. Для охлаждения при Т_х= 150 — 250 К обычно достаточно использовать цикл с одной ступенью, для сжижения воздуха, O₂ или N₂ (Т_х = 70 — 90 К) — с двумя ступенями, водорода (Т_х = 20 К) — с двумя-тремя ступенями, гелия (Т_х = 4–5 К) — не менее чем с тремя ступенями. Температурные уровни Т_т (т= 1, 2, 3,...) каждой из n ступеней охлаждения в интервале Т₀ – Т_хможно оценить по формуле:

Применение того или иного цикла, а также аппаратурное оформление КУ зависят от большого числа факторов (главный из них — необходимая холодопроизводительность, стоимость единицы холода и надежность работы установок). Поэтому в общем случае расчет и оптимизация криогенных установок представляют собой сложную задачу.

Установки с дроссельными циклами отличаются исключит. простотой и надежностью в работе, вследствие чего широко распространены в производстве холода и сжиженных газов. Однако из-за низкой экономичности эти установки пригодны лишь для получения холода в небольших количествах.

В установке с однократным, или простым, дросселированием (цикл Линде — Хемпсона; рис. 9) газ изотермически сжимается в компрессоре К (процесс 1–2), изобарно охлаждается в теплообменнике ТО до температуры Т₃, расширяется (при i = const) в дроссельном вентиле Др от давления сжатия р₂ до давления всасывания p_l (процесс 3–4); при этом газ частично конденсируется. Жидкость в количестве X [доля сжиженного газа по отношению к количеству дросселируемого; количество последнего принимают за единицу, на рис. обозначают (1)] в состоянии f выводится из сборника Сб, а пар в количестве (1-Х)возвращается через ТО в компрессор. В точке 1 к нему добавляется газ в количестве X, и цикл повторяется. Холодопроизводительность q_x = T_х(S₅ - S₄) = i₁ — i₂ = i₅ — i₄ = X(i₁ — i_f). Доля выводимого сжиженного газа X_f = (i₁ — i₂)/(i₁— i_f); где R — газ. постоянная.

_{Рис. 9. Схема криогенной установки с однократным дросселированием.}

В идеальном дроссельном воздушном цикле очень малы доля получаемой жидкости (~ 5,5%) и холодильный коэф. (-7%); коэф.5%. В реальном цикле из-за тепловых потерь в окружающую среду, недорекуперации теплоты в ТО, а также неизотермичности сжатия значения и м. б. существенно ниже (в 2–3 раза и более).

Кроме низкой эффективности, простой дроссельный цикл оказывается принципиально непригодным при i₁ < i₂. Известны методы повышения эффективности такого цикла. Главный из них — предварит. охлаждение сжатого газа от внеш. источника. Так, в воздушном дроссельном цикле с промежуточным охлаждением до 228 К (Т₀ = 300 К) доля получаемой жидкости увеличивается до ~ 16,5%, а- до 15%.

Параметры криогенного цикла можно значительно улучшить применением двойного дросселирования и циркуляции части потока (рис. 10; D₁ и D₂ — потоки циркуляционный и направляемый на сжижение). В первом приближении холодопроизводительность такого цикла пропорциональна разности конечного (р_к) и начального (р_н) давлений хладагента: q_х ~ (p_к — p_н), а мех. работа l_к ~ ln(р_к/р_н). Поэтому холодильный коэф. при увеличении р_н существенно возрастает (при р_к = 20 МПа и повышении р_н с 0,1 до 10 МПа коэф. увеличивается по сравнению с в 3,2 раза). При одинаковых давлениях р₁ и р₃доля сжиженного газа X по сравнению с долей газа при простом дросселировании уменьшается примерно на 15%, однако снижается на 40% мех. работа компрессора и на столько же процентов возрастает

_{Рис. 10. Схема криогенной установки с двойным дросселированием.}

Совершенствование циклов с дросселированием достигается применением в качестве рабочей среды смеси хладагентов (рис. 11) с разл. температурами конденсации в интервале Т₀ — Т_х. Такая смесь сжимается в компрессоре К, при этом на уровне Т_{0 (р = р2)} конденсируется часть потока — компонент с самой высокой температурой конденсации. В сборнике Сб₁ происходит разделение фаз: пар направляется в теплообменник ТО₁, а жидкость в количестве D₁ дросселируется через вентиль Дp₁ в обратный поток. После охлаждения в ТO₂ часть прямого потока снова конденсируется и т. д. Процесс продолжается до достижения наинизшей температуры Т_х -температуры конденсации прследнего компонента смеси при давлении р₁. Криогенные установки и методы расчета состава смесей хладагентов достаточно сложны, но получаемый в результате эффект весьма значителен.

_{Рис. 11. Схема криогенной установки, работающей на смеси хладагентов.}

_{Рис. 12. Схема криогенной рефрижераторной установки с двумя детандерами.}

Установки с детандерными циклами. К этой группе обычно относят т. наз. рефрижераторные установки (хладагент циркулирует только внутри системы), в которых используются один или несколько (напр., два; рис. 12) детандеров на разных температурных уровнях, в т. ч. на самом нижнем. После изотермич. сжатия в компрессоре газ охлаждается в теплообменнике ТО₁, из которого часть газа в количестве D_l отводится в детандер Д₁, расширяется в нем и поступает в теплообменник ТO₂ в качестве обратного потока. Оставшаяся часть газа в количестве D₂ после охлаждения в теплообменниках ТO₂ и ТO₃ расширяется в детандере Д₂; при этом в установке достигается наинизшая температура (Т_х). При понижении температуры охлаждаемого объекта от Т₇ до Т₆ рабочий газ подогревается от Т₆ до Т₇ и как обратный поток подается в теплообменник ТO₃. Холодопроизводительность q_x = D₁h_l + D₂h₂ + (i₁ — i₂), где h -разность энтальпий газа на входе в детандер и выходе из него. Термодинамич. эффективность реальных детандерных циклов зависит от Т_х, однако достаточно высока ( η_т = 0,2 — 0,4).

Установки с дросселированием и расширением в детандерах широко распространены для сжижения газов и получения холода на любых температурных уровнях (вплоть до неск. К). Число детандеров, которые могут работать параллельно или последовательно, изменяется от 1 до 4. Благодаря отводу теплоты на неск. температурных уровнях термодинамич. эффективность этих установок достаточно высока и достигает в цикле без потерь 75%. Циклы с одним детандером и дросселем используются для производства O₂, N₂ и Ar (см. воздуха разделение).

В зависимости от давления в системе различают циклы высокого (20 МПа), среднего (4–6 МПа) и низкого (0,6 МПа) давлений. В цикле высокого давления (цикл Гейланда) детандер работает на самом верх. температурном уровне (рис. 13). Количества газа, направляемые в детандер и дроссель, примерно равны. Такая установка обладает наилучшими (по сравнению с установками среднего и низкого давлений) термодинамич. показателями (доля сжиженного газа X = 20%, коэф. = 18%), однако не может обеспечить большой холодопро-изводительности, т. к. использует поршневые компрессоры и детандеры.

В цикле низкого давления детандер работает на самом низком температурном уровне (рис. 14). Количество газа, направляемого в детандер, составляет ок. 96%, в дроссель — лишь 4%. Энергетич. показатели подобных установок значительно хуже, чем для установок высокого давления (Х=6%, 12,5%). Однако в качестве детандеров и компрессоров применяют только турбомашины, что обеспечивает возможность переработки больших количеств материальных потоков (до 300 тыс. м³/ч воздуха). Впервые цикл низкого давления осуществил П. Л. Капица, который сконструировал высокоэффективный турбодетандер, способный работать на уровне — 100 К.

_{Рис. 13. Схема криогенной установки, работающей по циклу высокого давления.}

Криогенные газовые машины нашли применение благодаря высокой компактности и эффективности. Наиб. распространены машины, работающие по идеальному холодильному циклу Стирлинга, а также по циклу Гиффорда — Мак-Магона. В холодильном цикле Стирлинга (рис. 15) два поршня движутся в цилиндре прерывисто со сдвигом по фазе. Между поршнями размещен регенератор Р, который делит рабочую полость на теплую и холодную части. Газ изотермически сжимается (процесс 1–2), параллельным движением поршней изохорно перемещается через регенератор (процесс 2–3) и охлаждается до температуры Т_х. Затем за счет движения правого поршня газ расширяется, его температура снижается и or охлаждаемого тела к нему подводится теплота (процесс 3–4). Поршни параллельно сдвигаются влево, холодный газ изохорно перемещается через регенератор, охлаждая его, и процесс повторяется.

Одноступенчатые машины используют для получения холода на уровне 150–70 К и до 40 К при небольшой холодопроизводительности; 0,1, = 20 — 42%. Более низких температур достигают, применяя двухступенчатые машины трехступенчатые машины обеспечивают Т_х = 8,5 К.

_{Рис. 14. Схема криогенной установки, работающей по циклу низкого давления.}

_{Рис. 15. Схема криогенной газовой машины, работающей по циклу Стирлинга.}

В машинах, работающих по циклу Гиффорда — Мак-Магона, холод вырабатывается с помощью залпового выхлопа газа. Одноступенчатые машины используют для получения небольших количеств холода на уровне до 35 К, а двухступенчатые — до 7 К. Коэф. для этих машин меньше, чем для машин, работающих по циклу Стирлинга.

Из-за сложности аппаратурного оформления Х. п. трудно моделируются. Поэтому их исследования и испытания холодильного оборудования выполняют, как правило, не на лабораторных, а на стендовых (полупромышленных) и пром. образцах, реальных хладагентах и в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.

Установки на основе нетрадиционных методов получения холода

Наряду с рассмотренными выше существует также ряд иных перспективных, но еще недостаточно часто используемых методов, лежащих в основе функционирования холодильных установок.

Метод откачки паров криогенных жидкостей приводит к их существ. переохлаждению (напр., для жидкого O₂ с т. кип. ~ 90,2 К до 54,361 К — температуры тройной точки), а также позволяет получать разл. смеси льда и жидкости из одного и того же вещества, напр. H₂. Метод десорбционного охлаждения заключается в изотермич. адсорбции активным углем рабочего газа (Не, Ne) с отводом теплоты процесса в жидкий H₂ (N₂) и послед. адиабатич. десорбции газа, при которой температуры хладагента и адсорбента снижаются: при Т₀ = 14 К (температура начала десорбции) достигается охлаждение до Т_х = 4 К (температура конца десорбции).

Метод, основанный на эффекте Пельтье, состоит в пропускании электрич. тока через контакт двух разнородных проводников; при изменении направления тока выделение теплоты сменяется ее поглощением, возможный перепад температур = 140 К, а коэф. установки зависит от Понижение температуры также происходит: при взаимном растворении веществ (³Не в сверхтекучем ⁴Не); при тангенциальном вводе сжатого газа (воздуха) с большой скоростью в т. наз. вихревую трубу, в которой в результате сложного вихревого движения газ расслаивается на горячий и холодный потоки (эффект Ранка); в волновых криогенераторах, где в условиях установившегося движения газа осуществляется его волновое расширение с генерацией акустич. автоколебаний и отводом энергии в виде теплоты в спец. устройствах — резонаторах; при воздействии сильного магн. поля на помещенное в термостат парамагн. вещество с послед. адиабатным его размагничиванием (магнитокалорический эффект) и т. д.

Области применения Х. п.

Х. п. используют практически во всех областях науки, техники, производства и в быту. Один из наиб. крупных потребителей холода — химико-лесной комплекс, для мн. производств которого и выполняемых науч. исследований диапазон низких температур чрезвычайно широк: от температуры окружающей среды до температуры, близкой к абс. нулю. К числу химико-технол. процессов, проводимых с применением холода, относятся: абсорбция, адсорбция, кристаллизация из растворов и расплавов, конденсация паров низкокипящих жидкостей, сжижение индивид. газов и разделяемых газовых смесей, сублимация-десублимация, жидкофазные (напр., галогенов с олефинами) и твердофазные (напр., полимеризация формальдегида) хим. реакции и др. (см. также, напр., Вымораживание, Газов осушка, Газов разделение, Газов увлажнение, Газы природные горючие, Градирни, Криохимия, Сублимация, Сушка). Х. п. наиб. распространены в производствах NH₃, жидкого Cl₂, O₂, N₂ и др. газов, хим. волокон, СК, синтетич. красителей, РТИ, высокооктановых бензинов, смазочных масел и парафина, при сжижении и осушке прир. газа, извлечении и осушке мономеров (напр., бутадиена) и их полимеризации (напр., изобугилена) и т. д.

^{Лит.: Щербин В. А., Гринберг Я. И., Холодильные станция и установки, М., 1979; Курылев Е. С., Герасимовы. А., Холодильные установки, 3 изд., Л., 1980; Орехов И. И., Обрезков В. Д., Холод в процессах химической технологии, Л., 1980; Беляков В. П., Криогенная техника и технология, М., 1982; Третьяков Ю.Д., Олейников Н.Н., Можаев А. П., Основы криохимической технологии, М., 1987; Архаров A. M., Марфенина И. В., Микулин Е. И., Криогенные системы. Основы теории и расчета, 2 изд., М., 1988.}

_{Б. А. Иванов}