Различные процессы охлаждения

Наряду с рассмотренными процессами возможны и другие, основанные на использовании различных сред и различных эффектов.

При использовании любого процесса охлаждения обязатель­ным условием является наличие термодинамической системы, энтропию которой можно значительно изменить за счет изменения некоторого параметра состояния X:

s= f(T, X) . (2.46)

Так, для термомеханической системы Х — это давление р, для магнитной — напряженность поля Н, для рефрижератора растворения — концентрация раствора х (химический потен­циал m), для термоэлектрической системы — плотность электро­нов (ферми-газа) в проводниках и др.

Изменение энтропии обеспечивает поглощение теплоты Q, т. е. холодопроизводительность. В общем случае для обратимого процесса dQ = Tds; для изотермического процесса (Т = const)

Q = TDs, (2.47)

где Ds = s_h—s_у( s_h— высокое значение энтропии, соответствую­щее неупорядоченному состоянию рабочей среды, s_у — низкое значение энтропии, соответствующее упорядоченному состоянию).

Так, при испарении жидкости энтропия пара (s_h) значительно больше энтропии жидкости

( s_у ); то же относится к сжатому и расширенному газам. Существенно меняется Ds = f (DH) для пара­магнетиков . В рефрижераторе растворения энтро­пия для раствора ^ЗHe существенно выше, чем для чистой жидкости. Энтропия для адсорбированного газа значительно меньше, чем для десорбированного.

Таким образом, возможна реализация процесса охлаждения в самых различных термодинамических системах, для которых существует возможность изменения энтропии (неупорядочен­ное — упорядоченное состояние микрочастиц) за счет воздействия на систему обобщенной силы X. Некоторые из систем такого рода, не нашедшие пока практического применения, кратко рассмо­трены ниже.

Электрокалорический эффект охлаждения (ЭК). Этот процесс охлаждения во многом аналогичен рассмотренному ранее магнитокалорическому . Рабочей средой в ЭК- системе является класс диэлектриков со значительной зависимостью дипольного электрического момента Р от напряженности Е электрического поля, называемых сегнетоэлектриками. Диаграмма Т — s для такой системы соответствует рис. 2.12, где вместо напряженности Н магнитного поля фигурирует напряженность Е электрического поля. Рабочей средой на микро уровне являются электрические диполи (ионы), способные изменять ориентацию (энтропию) в за­висимости от напряженности Е приложенного электрического поля, выполняющего в данном случае функции обобщенной силы X. В соответствии с первым началом термодинамики для диэлектрика

du = Tds+ EdP. (2.48)

Отсюда можно получить выражение для электрокалорического коэффициента в адиабатном процессе

a_э = (¶Т/¶Е)_s = - (Т/с_е) (¶Р/¶Т)_Е , (2.49)

где с_Е— теплоемкость при Е = const.

Процесс охлаждения в такой системе осуществляют изотерми­ческой поляризацией сегнетоэлектрика путем наложения поля напряженностью E с отводом теплоты. В итоге энтропия снижается, и последующее изоэнтропное уменьшение Е определяет падение температуры DT. Преимуществом метода является то, что созда­ние электрического поля технически легко выполнимо; эффект может быть реализован в широком интервале температур от 0 до 300 К. Максимум эффекта находится вблизи точки Кюри; так, для КН₂Р0₄ Т_кюри = 122 К. Однако, DТ мало и не превы­шает 0,5—1 К при изменении Е в интервале 0—4 МВ/м. Предпо­лагают, что в ряде случаев такие системы могут быть эффективны.

Термомагнитное охлаждение основано на эффекте Эттингсхаузена (1886г.) и реализуется следующим образом. Вдоль полю­сов магнита помещают полупроводниковый стержень (брусок), к торцам которого подводят электрический ток. Взаимодействие электрического и магнитного полей приводит к возникновению в стержне раз­ности температур вдоль вертикальной оси, перпендикулярной к направлению тока и магнитного поля. У нижней грани стержня образуются пары электрон — дырка с поглощением теплоты Q_x, у верхней грани происходит рекомбинация пар с выделением теплоты Q_o . Наилучший материал для такой системы вис­мут—сурьма (3 % Sb); эффект охлаждения DT составляет 10 К и более.

Намагничиваниесверхпроводников. Переход металла из нор­мального в сверхпроводящее состояние сопровождается уменьше­нием энтропии, так как при этом упорядочивается электронная структура . Очевидно, что обратный процесс — сниже­ние упорядоченности — приведет к погло­щению теплоты. Такую систему можно использовать для охлаж­дения, реализуемого следующим образом. Образец предварительно охлаждают до температуры T_н, которая ниже температуры пере­хода в сверхпроводящее состояние Т_c. После этого образец адиа­батически изолируют и накладывают внешнее магнитное поле напряженностью Н, что приводит к его изоэнтропному переходу в нормальное состояние. Так как теплота поглощается от массы самого образца, то он охлаждается на DT = Т_н — Т_к.

Метод можно осуществлять только при Т < Т_с, т. е. в интервале 0—20 К; однако, его эффективность мала, так как теплоемкость твердых тел при таких температурах очень низкая.

Механокалорический эффект. При обсуждении свойств жидко­го Не II отмечено, что его поведение качественно хорошо объяснять с использованием «двухжидкостной» модели, преду­сматривающей существование нормальной и сверхтекучей компо­нент в жидкости. Поскольку сверхтекучая компонента не имеет вязкости, она проходит свободно через тонкий капилляр, соеди­няющий два объема с Не II. В то же время вязкая нормальная составляющая через капилляр не проходит и как бы отфильтро­вывается. В результате происходит разделение HeII на две жидко­сти — одна богата сверхтекучей составляющей, другая — нор­мальной.

Так как энтропия сверхтекучей компоненты равна нулю, то тонкий капилляр должен действовать как «энтропийный фильтр», не пропускающий вязкую нормальную составляющую. В резуль­тате происходит понижение температуры после фильтра, обус­ловленное тем, что энтропия сверхтекучей составляющей, про­шедшей через фильтр, близка к нулю. Этот эффект впервые обна­ружен П. Капицей и получил дальнейшее экспериментальное подтверждение.

Охлаждение смешением. Тепловой эффект смешения также можно использовать для охлаждения. Ранее такой метод рас­смотрен применительно к растворам квантовых жидкостей ³Не — ⁴Не. Процесс смешения необратим, поэтому энтропия смеси обычно больше суммы энтропии отдельных компонентов. Так, при смешении компонентов идеального газа дополнительное возрастание энтропии (энтропия смешения)

DSсм = -R S ( x_i ln x_i), (2.50)

где x_i— концентрация i-го компонента.

В данном случае концентрация является обобщенной силой, приводящей к изменению энтропии системы. Смешение в изотер­мических условиях приводит к поглощению теплоты, в адиабат­ных — к снижению температуры. В процессе смешения могут участвовать газы, жидкости, твердые тела. Классический пример охлаждения смешением — снижение температуры в смеси пова­ренной соли и воды (льда). Смешение соли со льдом и образование раствора, содержащего 21 % NaCI, приводит к снижению темпе­ратуры от 273 до 252 К. Учитывая необратимость процесса сме­шения и необходимость последующего разделения смеси при воз­вращении компонентов в исходное состояние, трудно рассчиты­вать на высокую эффективность метода. В то же время в ряде случаев он может оказаться достаточно экономичным и целесо­образным, например, для одноразового охлаждения. Расчетные оценки показывают, что при смешении газов с сильно отличаю­щимися критическими параметрами получают наибольший эффект охлаждения. Так, для смеси метан—гелий при T = 200 К и р» 10 МПа снижение температуры DT= 50 К; КПД процесса достигает 50 %.

Деформация упругой среды. Упругая деформация (сжатие — растяжение) — обратимый процесс, который в принципе можно использовать для охлаждения. Основное уравнение термодина­мики для упругого стержня можно представить так:

Tds = du—y dl, (2.51)

где y — сила, действующая на стержень; l — линейный размер.

Применив общие соотношения термодинамики к такой системе, можно вычислить ее энтропию, энергию и другие характеристики, а также конечное изменение температуры при адиабатной дефор­мации

DT = -a T_срs/(cr), (2.52)

где a — температурный коэффициент линейного расширения материала стержня; Tcр — средняя температура; s — напряжение; с — теплоёмкость; r — плотность.

Так как T, с и r положительны, то знак DT определяется зна­ками s и a. Напряжение положительно при растяжении и отрица­тельно при сжатии. Обычно a> 0, и лишь для резины a< 0.

Это исключение касается и энтропии, которая обычно возрастает при изотермической деформации, а у резины уменьшается, так как ее длинные молекулярные цепи упорядочиваются при растя­жении. Таким образом, металлические стержни при растяжении охлаждаются, резина нагревается. Этот эффект у металлов неве­лик. Так, для стали D T = 0,16 К при s = 200 МПа, для резины D T достигает 8 К.

ЦИКЛЫ КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК

В криогенной технике используют разнообразные циклы криогенных установок. Они

классифицируются по различным принципам. В соответствии с этим можно выделить

основные циклы криогенных установок:

1. Простые и сложные дроссельные циклы

2. Простые и сложные детандерные циклы

3. Комбинированные циклы

4. Газовые циклы

Для описания энергетических характеристик этих циклов пользуются различными величинами: холодопроизводительность, работа, холодильный коэффициент и коэффициент ожижения.