Искусственный холод и области его применения
1.1. Общие сведения [1]
Холод – это та же теплота, температурный уровень которой, ниже температурного уровня окружающей среды. Поэтому все известные законы термодинамики и теплопередачи в области низких температур такие же как и в области высоких температур.
Выгоды применения природного холода человек научился использовать давно. Аккумулирование естественного холода может осуществляться заготовкой водяного льда (0°С), а также применением льдосоляных смесей. Применение смеси солей CaCl2 и NaCl со льдом позволяет получать температуры плавления льда до -55°С.
Холод более низких температур люди смогли получать только тогда, когда были созданы устройства, которые теперь обобщенно называются трансформаторами тепла.
Основное назначение трансформаторов тепла – отвод теплоты от теплоотдатчика (охлаждаемой среды) на сравнительно низком температурном уровне и подвод ее к теплоприемнику (охлаждающая или нагреваемая среда) на более высоком температурном уровне. Создание таких устройств открыло новое, самостоятельное направление в технике – хладотехника.
Хладотехника – это техника низких температур. В настоящее время оределились два направления использования хладотехники:
1) использование низких температур для улучшения, интенсификации известных или создания новых технологических процессов. Это разделение газов, опреснение и очистка воды, обработка материалов, консервирование продуктов и медицинских препаратов, укрепление грунтов в строительстве и т.д. и т.п.;
2) у ряда веществ при низких температурах открываются совершенно новые свойства, которые можно использовать при создании качественно иных систем. Это сверхпроводимость, сверхтекучесть, сверхскольжение, термомагнитный эффект и другие явления.
Современная техника низких температур условно разделяется на две части, которые отличаются друг от друга только температурным диапазоном работы:
а) криогенная техника;
б) холодильная техника.
Криогенная техника – это область получения холода с температурой ниже 120 К (-153°С). Эта граница обусловлена температурой сжижения природного газа (температура сжижения метана –161,30°С, включена в область криогеники).
Основными рабочими веществам криогенной техники являются воздух и продукты его разделения: азот, кислород, аргон, водород, гелий, криптон, неон, ксенон. Используется эта техника, главным образом, для получения газов из смесей.
Холодильная техника используется для получения холода с температурой выше 120 К (от +7 до –153 °С). Этот холод применяется в самых различных целях.
Особняком стоят комбинированные холодильно-теплонасосные установки. Они позволяют одновременно с выработкой холода получать теплоту потребительских параметров. Обычно не выше 120-180°С. Более высокие температуры экономически целесообразнее получать за счет топлива.
Установки этого типа очень перспективны. Их использование может дать большой экономический эффект. Например: во дворцах спорта - одновременное получение искусственного льда и подогрев воды в плавательном бассейне; на молочных фермах – охлаждение молока (до 4°С) и нагрев воды за счет этой теплоты до 60-80°С.
Наиболее крупными потребителями искусственного холода являются химическая, нефтехимическая и газовая промышленности. Особенности технологий определяют повышенные требования к холодильному оборудованию: большие холодопроизводительности; высокая надежность; длительный ресурс непрерывной работы; возможность использования дешевых хладагентов (продукты собственных технологий); возможность использования вторичных энергоресурсов; максимальная автоматизация и др.
В этих отраслях используется холод с температурой от +5 до -110°С. Единичные мощности агрегатов составляют от единиц до десятков мегаватт.
Крупными потребителями холода являются также системы кондиционирования воздуха, пищевая, машиностроительная и металлургическая промышленности, строительство, производство сухого и водяного льда, водоопреснительные и водоочистительные установки, медицина и др.
Более подробные сведения о применении холода в народном хозяйстве можно найти в [2].
1.2. Способы получения низких температур: