Способы получения низких температур
В холодильной технике отвод теплоты от охлаждаемого тела осуществляют при температурах ниже, чем у окружающей среды. Теплоту передают к рабочему телу (холодильному агенту), температура которого заранее понижена тем или иным способом.
Понизить температуру рабочего тела можно на основе следующих известных физических явлений, сопровождающихся поглощением теплоты [8]:
1) расширения газов и паров;
2) термоэлектрического эффекта;
3) фазового перехода вещества;
4) десорбции газа;
5) адиабатического размагничивания диэлектриков.
Современная холодильная техника для получения умеренно низких температур использует первые три явления.
Расширение газов
При адиабатическом расширении (без подвода и отвода теплоты) с осуществлением внешней работы внутренняя энергия и температура рабочего тела уменьшаются. Максимальное изменение температуры достигается при обратимом изоэнтропическом расширении*. При этом дифференциальный эффект изменения температуры рабочего тела выражается соотношением
.
Для идеального газа 
,
где k – показатель адиабаты (k = 1,66; 1,4; 1,33 – для одно- , двух- и многоатомных идеальных газов соответственно).
Интегральный эффект при обратимом изоэнтропическом расширении рабочего тела от давления 
до 
,
или после преобразования (считая k = const)
;
,
где T1 и Т2 – температуры рабочего тела до и после расширения.
На практике процессы расширения обычно протекают с подводом внешней теплоты, что обусловливает их политропический характер. В этом случае для идеального газа интегральный эффект определяют по следующим формулам:
;
,
где m – показатель политропы 
; C - теплоемкость в политропическом процессе.
Обратимым изоэнтропическим расширением рабочего тела является процесс, при котором имеют место обратный и прямой циклы Карно, происходящие без рассеяния (диссипации) энергии, т.е. без изменения энтропии системы.
Расширение газов и паров имеет также место при дросселировании.
Дросселирование происходит при прохождении пара или газа через суженное отверстие, вентиль, пористую перегородку и сопровождается изменением температуры (эффект Джоуля - Томсона).
Если дросселирование происходит без обмена энергией с окружающей средой и без изменения кинетической энергии потока, то энтальпии до и после дросселирования равны 
. Вследствие необратимости дросселирование сопровождается ростом энтропии 
. Дифференциальный эффект Джоуля – Томсона
,
а интегральный 
.
По величине температурного эффекта дросселирование уступает обратимому адиабатическому расширению.
Еще одним способом охлаждения, основанным на необратимом расширении газов и паров, является применение вихревой трубы [9]. Эффект температурного разделения газа, наблюдающийся в вихревой трубе, был впервые открыт Ж. Ранком в 1933 г. В вихревую трубу (рис. 2.25) через тангенциальное сопло 1 подводится сжатый воздух. В трубе он завихряется в пространстве и разделяется на два потока: центральный и периферийный. Высокая тангенциальная скорость потока вблизи сопла вызывает перепад давлений в поперечном сечении трубы под действием центробежной силы. Из-за торможения периферийного потока газа о стенки трубы на пути к дросселю его тангенциальная скорость снижается, центробежная сила ослабевает, давление падает, и газ расширяется к центру. Расширяясь, газ поглощает теплоту из центрального потока и снижает его температуру.
При давлении сжатого газа, подходящего к соплу трубы, всего лишь в 0,2-0,4 МПа представляется возможным получать осевой поток холодного газа, температура торможения которого на 
ниже, чем 
начальная температура торможения входящего в сопло газа. Абсолютное снижение температуры в холодном потоке
;
где 
, 
– температура торможения на входе в сопло и на выходе из холодной трубы; 
- приведенная адиабатная скорость потока при его расширении с давления на входе 
до давления на выходе дросселя 
; 
- эмпирический коэффициент скорости, зависящий от конструкции трубы 
; 
– площади сечения соответственно дросселя, трубы, сопла;
( 
– массовые расходы холодного и подводимого к соплу воздуха);
; 
– относительная плотность газа в дросселе, т.е. отношение плотности газа в диафрагме к плотности заторможенного потока перед соплом;
.
Эффективность вихревой трубы выше эффективности обычного дросселирования, а простота конструкции обусловливает перспективы ее применения в холодильной технике.
Дросселирование