Что такое искусственное охлаждение
Искусственное охлаждение
В промышленности и технике искусственный холод получают в основном используя холодильные машины и охлаждающие смеси.
В прикладных целях достигается отводом определённого количества теплоты и традиционно осуществляется с помощью механической работы, но может осуществляться под действием тепла, магнетизма, кинетического испарения атомов, электричества, испарения, с помощью лазера и другими способами.
Установки для создания искусственного холода — холодильники и кондиционеры производят отбор тепла либо просто перемещением теплоносителя (например, воздуха) из менее нагретых мест в охлаждаемые, либо по принципу теплового насоса, путём создания возле охлаждаемой области разрежения для испарения жидкости-теплоносителя, например, перекачиванием фреона по трубкам, либо (реже) посредством эффекта Пельтье.
Для относительно кратковременного искусственного холода в условиях отсутствия источника энергии применяют аккумуляторы холода или сухой лёд.
Тепловые насосы могут использовать теплоту, выделяемую при процессе охлаждения, а также могут работать по обратному циклу, при этом они аналогичны холодильным установкам.
Охлаждение имеет множество применений, включая, но не ограничиваясь: бытовые холодильники, промышленные морозильники, криогенную технику и кондиционирование воздуха. Развитие методов охлаждения оказало большое влияние на промышленность, образ жизни, сельское хозяйство и урбанизацию.
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Пенообразова́тели — вещества, участвующие в образовании устойчивой пены. Существуют натуральные и искусственные пенообразователи.
Физические основы искусственного охлаждения
Источник: http://xolog.im.net.ua/
Статья из журнала «Холодильная техника»
Из физики известно, что понятия «холод» и «теплота» условны, так как их физическая природа одинакова. Теплота — это один из видов энергии, который может быть преобразован в ее другие виды, и наоборот. Теплота может переходить от одного вещества (тела*) к другому лишь при наличии разности температур между ними. Вещества находятся в одном из трех (основных) фазовых (агрегатных) состояний — твердом, жидком или газообразном — в зависимости от окружающих условий (давления и температуры) и могут переходить из одного состояния в другое при подводе или отводе теплоты, вызывающей изменение строения вещества. Твердая фаза — агрегатное состояние вещества, характеризуемое жесткой молекулярной структурой. Твердое тело сохраняет свою форму и размеры, практически не сжимается. Жидкая фаза — агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы твердого тела, не так плотно соединены друг с другом. Это позволяет им более легко преодолевать силы взаимного притяжения. Жидкость практически не сжимается, сохраняет свой объем. Наиболее характерная особенность жидкости — текучесть, благодаря которой она принимает форму сосуда, в котором находится. Газовая или паровая фаза — агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы жидкости, не связаны силами взаимного притяжения и движутся свободно. Газ легко сжимается и заполняет весь объем сосуда, в котором находится.
* В физике под термином «тело» понимают любое вещество независимо от его агрегатного состояния.
В холодильной технике обычно имеют дело с веществами в жидком или газообразном состоянии. Пар отличается от газа тем, что его состояние ближе к жидкому состоянию. Газ — это сильно перегретый пар. В парокомпрессионных холодильных машинах рабочее вещество обычно находится в жидком и парообразном состоянии, в отличие от так называемых газовых холодильных машин, в которых рабочее вещество — газ — не меняет своего агрегатного состояния. Если температура вещества выше температуры окружающей среды (воздуха, воды и пр.), то его называют горячим (теплым или нагретым). Самопроизвольное понижение температуры вещества до температуры окружающей среды называют естественным охлаждением. Понижение температуры вещества ниже температуры окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а само вещество, температура которого ниже температуры окружающей среды, называют холодным. Таким образом, исходя из относительности понятий холода и теплоты, можно дать следующее определение: холод — это теплота, отводимая от вещества, температура которого ниже температуры окружающей среды.По температурному уровню различают области (рис. 1): умеренного холода — от температуры окружающей среды (условно 20°С) до —120°С — и глубокого холода — от —120 °С до абсолютного нуля (—273,15 °С).
Если температура вещества выше температуры окружающей среды (воздуха, воды и пр.), то его называют горячим (теплым или нагретым). Самопроизвольное понижение температуры вещества до температуры окружающей среды называют естественным охлаждением.
Искусственное охлаждение можно осуществлять двумя способами:
Прежде чем перейти к более подробному рассмотрению способов искусственного охлаждения, остановимся еще на некоторых понятиях и определениях, без усвоения которых невозможно изучение основ холодильной техники.
Количество теплоты Q измеряют в джоулях (Дж) или килоджоулях (кДж).
Тепловой поток, тоже Q,- это количество теплоты, отводимое (подводимое) от вещества (к веществу) в 1 с. Следовательно, тепловой поток выражают в джоулях в секунду (Дж/с) или в килоджоулях в секунду (кДж/с). Но 1Дж/с=1Вт, а 1 кДж/с=1 кВт, т. е. тепловой поток как один из видов энергии выражают в тех же единицах, что и мощность.
В практических расчетах можно принимать следующие значения удельной теплоемкости:
При отводе (подводе) теплоты переход через определенный температурный предел вызывает изменение агрегатного состояния.
Так, при дальнейшем отводе теплоты от воды, когда ее температура уже снизилась до О°С, она замерзает, а при дальнейшем подводе теплоты, когда температура поднялась до 100°С, вода закипает.
Обычно теплоту, вызывающую изменение только температуры (без изменения агрегатного состояния) называют «сухой». Ее количество, необходимое для понижения (повышения) температуры вещества массой М от начальной температуры t1 до конечной t2, определяют по формуле:
Q=Mc(t1- t2).
Физические принципы получения низких температур
Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды.
При атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) температура плавления водного льда равна О°С. Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг льда в воду (или наоборот), называется скрытой или удельной теплотой плавления r.
для водного льда r=335 кДж/кг
Количество теплоты, необходимое для превращения льда массой М в воду, определяют по формуле:
Из сказанного следует, что одним из способов искусственного охлаждения является отвод теплоты за счет плавления вещества в твердом состоянии при низкой температуре.
На практике этот способ давно и широко применяют, осуществляя охлаждение с помощью заготовленного зимой с использованием природного холода водного льда или с помощью замороженной в ледогенераторах с использованием холодильных машин воды.
r = 214 кДж/кг.
Сублимация замороженной воды при атмосферном давлении происходит при сушке белья зимой. Этот процесс лежит в основе промышленной сушки пищевых продуктов (сублимационная сушка). Для интенсификации сублимационной сушки в аппаратах (сублиматорах) поддерживают с помощью вакуумных насосов давление ниже атмосферного.
При атмосферном давлении и температуре О °С скрытая теплота испарения воды г=2509 кДж/кг, при температуре 100°С г=2257 кДж/кг.
Что такое искусственное охлаждение
1.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Охлаждение – процесс понижения температуры тела. Для охлаждения нужно иметь два тела: охлаждаемое и охлаждающее – источник низкой температуры. Охлаждение продолжается, пока между телами происходит теплообмен. Источник низкой температуры должен функционировать постоянно, так как охлаждение следует осуществлять непрерывно. Это возможно при достаточно большом запасе охлаждающего вещества или если постоянно восстанавливается его первоначальное состояние. Последнее широко применяется в холодильной технике с использованием различных холодильных машин.
Различают естественное и искусственное охлаждение. При естественном охлаждении теплота от более нагретого тела переходит к менее нагретому (среде). Искусственное охлаждение предполагает получение температуры охлаждаемой среды ниже температуры окружающей среды. Низкие температуры получают путем физических процессов, при протекании которых происходит поглощение извне теплоты без повышения температуры тела.
К основным физическим процессам, сопровождающимся поглощением теплоты, относятся фазовые переходы вещества: плавление или таяние при переходе тела из твердого состояния в жидкое; испарение или кипение при переходе тела из жидкого состояния в парообразное; сублимация или возгонка при переходе тела из твердого состояния непосредственно в газообразное.
Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических процессах, например адиабатическом дросселировании газа с начальной температурой меньшей, чем температура верхней точки инверсии; адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы; вихревом эффекте.
Фазовый переход вещества при плавлении или таянии, испарении или кипении, сублимации или возгонке происходит при соответствующих температурах и давлениях с поглощением значительного количества теплоты.
Для получения низких температур (но не ниже 0°С) может быть применен водный лед, который в условиях атмосферного давления плавится при 0°С и имеет сравнительно большую величину удельной теплоты плавления – 335 кДж/кг. Если давление ниже атмосферного, сублимация водного льда происходит при температуре ниже 0°С, что используют в сублимационной сушке пищевых продуктов.
Более низкие температуры плавления можно получить, смешивая лед с некоторыми солями, например с хлоридом кальция (рис. 1).
Более широко распространено получение низких температур с использованием процесса кипения. С помощью одного вещества можно получить определенный интервал температур, поскольку температура его кипения зависит от давления: с уменьшением давления температура кипения понижается, и наоборот. С помощью различных веществ можно получать низкие температуры в широком диапазоне. Процесс испарения используют, например, для понижения температуры воды или влажных поверхностей.
Адиабатическим дросселированием называют процесс необратимого перехода газа (жидкости) с высокого давления на низкое (расширение) при прохождении через сужение поперечного сечения (перегородка с отверстием, пористая перегородка и т.д.) без совершения внешней работы и отдачи или получения теплоты.
Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окружающей средой практически не происходит и энтальпия (теплосодержание) вещества не изменяется. Полезная работа не совершается, так как работа проталкивания переходит в теплоту трения. Энтальпия – это функция состояния, равная сумме внутренней и потенциальной энергии давления (PV), где Р – давление; V – объем.
При адиабатическом дросселировании реального вещества в отличие от идеального вследствие изменения внутренней энергии производится работа против сил взаимодействия молекул. Это приводит к изменению температуры вещества. Изменение температуры реального вещества при дросселировании называется эффектом Джоуля –Томсона.
В зависимости от начального состояния реального вещества перед дросселем температура его при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться и оставаться без изменения.
Точка, соответствующая начальному состоянию вещества, в которой его температура при адиабатическом дросселировании не изменяется и, следовательно, изменяется знак температурного эффекта, называется точкой инверсии, а температура, соответствующая этой точке, – температурой инверсии. Точку инверсии можно определить, построив в координатах TV (температура – объем вещества) изобару и проведя к ней касательную из начала координат. При начальных температурах газа ниже температуры инверсии он при дросселировании будет охлаждаться, выше – нагреваться.
Большинство газов, за исключением водорода и гелия, имеют довольно высокую температуру инверсии (600°С и выше), поэтому практически для всех газообразных веществ в области, близкой к критической, адиабатическое дросселирование приводит к понижению температуры.
При адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы получение низких температур возможно при любом его состоянии, так как температура изменяется в сторону понижения. В отличие от адиабатического дросселирования в этом случае эффект возможен и для идеального газа, при этом понижение температуры в процессе адиабатического расширения при прочих равных условиях бывает более значительным, чем при дросселировании.
Адиабатическое расширение газа в детандере (расширителе) используют для получения криогенных температур.
Вихревой эффект достигается в вихревых трубах при подаче в них по тангенциальному вводу сжатого воздуха, имеющего температуру окружающей среды. Скорость вращения воздуха в трубе обратно пропорциональна ее радиусу. Центральная часть вращающегося потока имеет большую скорость, чем периферийная, вследствие чего температура воздуха у стенок трубы выше, а в центре ниже, чем температура подаваемого в трубу воздуха. Можно получить потоки воздуха с низкой и высокой температурами, если разделить центральную и периферийную части потока. Это явление называется эффектом Ранка.
Таким образом, через определенный физический процесс можно получить источник требуемой низкой температуры, необходимый для охлаждения тела.
1.2. СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Для получения холода используются безмашинные и машинные способы охлаждения. Безмашинные способы охлаждения основываются на плавлении, испарении, сублимации.
В безмашинных способах охлаждения используются готовые хладоносители (водный, эвтектический и сухой лед, сжиженные газы, воздух). Установки, работающие на готовых хладоносителях, просты по устройству и, следовательно, наиболее доступны, но они имеют существенные недостатки: полную зависимость от возможности и условий получения хладоносителей; большой объем грузовых работ, связанных с зарядкой хладоносителями и поддержанием гигиены в охлаждаемых помещениях.
Недостатки, свойственные безмашинным способам охлаждения, отсутствуют у машинных способов, когда энергия (механическая, тепловая, электрическая) поступает извне.
По виду затрачиваемой энергии холодильные машины подразделяются на компрессионные, теплоиспользующие и термоэлектрические. Компрессионные машины используют механическую энергию; теплоиспользующие – тепловую от источников теплоты, температура которых выше окружающей среды; термоэлектрические – электрическую.
При охлаждении в компрессионных и теплоиспользующих машинах теплота переносится в результате совершаемого рабочим телом – холодильным агентом (хладагентом) обратного кругового процесса, а в термоэлектрических – при воздействии потока электронов на атомы вещества.
Охлаждение в термоэлектрических машинах основано на термоэлектрическом эффекте, известном как эффект Пельтье, заключающемся в том, что при пропускании постоянного электрического тока по замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников или полупроводников, один из спаев нагревается (горячий спай), а другой охлаждается (холодный спай). Для того чтобы холодный спай термоэлемента имел постоянную низкую температуру и был источником холода, горячий спай нужно охлаждать. В этом случае система представляет собой холодильный агрегат, в котором электрический ток переносит энергию от холодного спая термоэлемента к горячему. Количество перенесенной энергии пропорционально силе тока в цепи термоэлемента. Изменение полярности электрического тока приводит к перемене мест холодного и горячего спаев. Основной показатель качества термоэлемента – коэффициент добротности (эффективности вещества), определяющий максимальную разность температур горячего и холодного спаев. К достоинствам такого рода устройств можно отнести непосредственное использование электрической энергии для переноса теплоты без промежуточных веществ и механизмов; бесшумность и автономность работы; компактность и простоту автоматизации и обслуживания. Однако они значительно дороже других холодильных машин.
В зависимости от вида рабочего тела (холодильного агента) холодильные машины, в основе принципа действия которых лежит обратный цикл Карно (см. подраздел 2.1), подразделяют на паровые и газовые.
В испарителе паровой холодильной машины происходит испарение рабочего тела при переходе к нему теплоты от охлаждаемого объекта, а в конденсаторе – его конденсация при переходе теплоты от рабочего тела в окружающую среду (в воздух или воду).
В качестве рабочего тела в паровых холодильных машинах используют аммиак и хладоны – фтористые и хлористые производные предельных углеводородов, в газовых – воздух.
В зависимости от способа подачи рабочего тела в конденсатор холодильные машины подразделяют на компрессионные, абсорбционные, сорбционные и пароэжекторные. В компрессионных холодильных машинах рабочий цикл совершается за счет механической работы компрессора, в абсорбционных, сорбционных и пароэжекторных – за счет затрат теплоты.
Для получения требуемых температур кипения и конденсации рабочего тела используют одноступенчатые, многоступенчатые и каскадные паровые компрессионные машины. Соответственно в одноступенчатых используют один, в многоступенчатых и каскадных – два компрессора и более, которые обеспечивают осуществление холодильного цикла в каждой ступени машины. Для холодильной обработки и хранения пищевых продуктов в охлаждаемых камерах используют преимущественно паровые компрессионные одно- и двухступенчатые холодильные машины.
Что такое искусственное охлаждение
Естественное охлаждение — это отвод тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду. При этом способе температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Это самый простой способ охлаждения без затраты энергии.
Искусственное охлаждение — это охлаждение тела ниже температуры окружающей среды. Для искусственного охлаждения применяют холодильныр машины или холодильные установки. При этом способе охлаждения необходимо затратить энергию.
Существует несколько способов получения искусственного холода. Самый простой — охлаждение с помощью льда или снега. Ледяное охлаждение имеет существенный недостаток — температура охлаждения ограничена температурой таяния льда. В качестве охладителей используют водный лед, льдосоляные смеси, сухой лед и жидкие холодильные агенты (хладоны и аммиак).
Льдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Из-за добавления соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается. Охлаждение сухим льдом основано на действии твердого диоксида углерода — при поглощении тепла сухой лед переходит из твердого состояния в газообразное. С помощью сухого льда можно получить более низкую температуру, чем при использовании водного льда: охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда, при охлаждении не возникает сырости, выделяемый газообразный диоксид углерода обладает консервирующими свойствами, способствует лучшему сохранению продуктов. Сухой лед применяется при перевозках замороженных продуктов, охлаждении фасованного мороженого, хранении замороженных фруктов и овощей.
В основу машинного охлаждения положено свойство некоторых веществ кипеть при низкой температуре, поглощая при этом большое количество теплоты из окружающей среды. Такие вещества называют холодильными агентами (хладагентами).
Хладагенты — это рабочие вещества паровых холодильных машин, с помощью которых обеспечивается получение низких температур. Хладагенты должны иметь высокую теплоту парообразования, низкую температуру кипения, высокую теплопроводность. Вместе с тем хладагенты не должны быть взрывоопасными, легко воспламеняющимися, ядовитыми. Важное значение имеет стоимость хладагентов. Наиболее отвечающим этим требованиям являются хладон 12, хладон 22 и аммиак. Хладон поступает в торговые предприятия в металлических баллонах, окрашенных в алюминиевый цвет и имеющих условную маркировку R12 или R22.
Способы искусственного переохлаждения
Искусственная гипотермия – это преднамеренное охлаждение тела человека, применяемое в медицине. Данный вид гипотермии проводят для замедления обменных процессов в организме, повышения устойчивости к травмам и кислородному голоданию.
Искусственная гипотермия может быть общей и локальной, а также умеренной (при снижении температуры тела до 32 – 27,9 градусов) и глубокой (температура тела человека 20 градусов и ниже). В медицине широко используется именно умеренное переохлаждение.
Показания к проведению искусственной гипотермии
Широко применяется искусственная гипотермия в хирургии и травматологии. Бывают такие случаи, когда необходимо замедлить все биохимические процессы, протекающие в организме, для оказания помощи и восстановления пациента.
Показаниями к проведению искусственной гипотермии являются:
Способы переохлаждения
Методы искусственной гипотермии бывают:
К физическим способам охлаждения тела человека относятся:
Химический способ основан на применении лекарственных препаратов, которые способствуют снижению температуры тела, воздействуя на различные отделы терморегуляции.
Выделяют следующие группы химических препаратов:
Аппараты для искусственной гипотермии
Искусственное охлаждение тела человека (общее и локальное) осуществляют с помощью специальных аппаратов.
Аппараты для искусственной гипотермии представляют собой прибор, который:
Большинство аппаратов искусственной гипотермии работает как на охлаждение, так и на согревание пациента.
Принцип работы аппаратов для искусственной гипотермии можно рассмотреть на примере прибора «Гипотерм-3».
Аппарат для локальной гипотермии состоит из:
Таким образом, охлаждение тела, его участка или определенного внутреннего органа осуществляется путем непрерывного охлаждения теплоносителя, который, поступая в охлаждающее приспособление, понижает температуру тканей и органа. При этом сам теплоноситель нагревается и требует повторного охлаждения в камере-теплообменнике и вновь направляется в охлаждающее приспособление.
Особенности локального переохлаждения
Локальное искусственное переохлаждение – это снижение температуры тела в определенном участке тела или органе. Его проводят для снижения обменных процессов и повышения устойчивости к кислородному голоданию тканей.
В случае локального искусственного переохлаждения исключаются осложнения, возникающие после общей гипотермии.
Локальная искусственная гипотермия широко применяется в таких областях медицины: Гинекология, Нейрохирургия, Реаниматология, Хирургия, Урология, Трансплантология.
Гипотермия желудка
Показаниями к проведению охлаждения желудка являются:
При локальной гипотермии желудка происходит ряд изменений:
Искусственное охлаждение желудка проводят 2 способами:
Охлаждение почки
Показаниями для проведения управляемой гипотермии почки являются состояния, при которых орган будет длительное время находиться в условиях острой гипоксии (кислородного голодания).
Переохлаждение почки назначается в случае:
Локальная гипотермия почки осуществляется 2 методами:
Гипотермия предстательной железы
Искусственная гипотермия предстательной железы используется с целью улучшения гемостаза при проведении операции по удалению аденомы (доброкачественная опухоль).
Кровопотеря во время операции предстательной железы значительно уменьшается после переохлаждения, а остановка кровотечения ускоряется.
Уменьшение кровопотери связано со спазмом сосудов под влиянием низкой температуры.
Методы охлаждения предстательной железы:
При локальном охлаждении простаты снижается потребность ее тканей в кислороде и питании.
Искусственное охлаждение сердца
Искусственная гипотермия сердца называется холодовая кардиоплегия.
Охлаждение сердца проводится с целью:
Гипотермия сердца достигается следующими способами:
Кранио-церебральное переохлаждение
Искусственное охлаждение головного мозга через наружные ткани головы.
Искусственная гипотермия головного мозга применяется:
Методы кранио-церебральной гипотермии разнообразны:
Два последних метода малоэффективны, так как не достигают необходимого результата.
При использовании аппарата «Холод-2Ф» происходит эффективное снижение температуры коры головного мозга до 30 градусов.
В основу данного способа положен метод струйного охлаждения. Охлаждающим агентом служит дистиллированная вода. Ее заливают в аппарат в объеме 7 литров. Температура воды должна быть 2 градуса.
На голову человека надевается шлем в виде полусферы. В шлеме есть отверстия, через которые охлажденная вода под прямым углом поступает на поверхность волосистой части головы.
Аппарат «Холод-2Ф» используют:
Аппарат «Холод-2Ф» способен поддерживать заданную температуру в теплоносителе и на поверхности головы, контролировать показатели температуры тела.
Чтобы определить температуру головного мозга при проведении искусственного охлаждения необходимо измерить температуру внутри наружного слухового прохода.
Гипотермия новорожденных
Первое использование гипотермии у новорожденных относится к концу 50-х годов 20 века. Уже в то время отмечалась положительная тенденция общего охлаждения новорожденных детей с асфиксией: снижалось число мертворожденных, улучшалось состояние детей с глубокой гипоксией, отмечалось отсутствие задержки психо-физического развития.
В современной медицине не используют общее охлаждение младенцев из-за неудобства и несовершенства. Предпочтение отдается локальному охлаждению головы.
Показания к проведению кранио-церебральной гипотермии у новорожденных:
Используют 2 метода локального охлаждения головы у новорожденных:
У ребенка может возникнуть нейровегетативная реакция на охлаждение, для ее устранения применяют препараты Аминазин, Дроперидол, Оксибутират натрия раствор.
Следует отметить, что локальная гипотермия у новорожденных всегда сопровождается общей гипотермией. Температура тела снижается до 34 – 32 градусов.
После гипотермии отмечается восстановление всех жизненно важных функций, улучшение состояния как физического, так и неврологического.