Методы получения низких температур

В настоящее время в термических цехах широко распространен процесс обработки холодом, разработанный чл.-кор. АН России С. С. Штейнбергом и проф. А. П. Гуляевым. Обработка стали при температурах ниже 0°С применяется для превращения остаточного аустенита в мартенсит с целью изменения свойств стали, повышения твердости, увеличения объема и улучшения магнитных характеристик [9].

Имеется несколько методов достижения низких температур. Наиболее простой метод состоит в том, что охлаждают спирт, ацетон или бензин твердой углекислотой. Кусочки сухого льда опускают в эти жидкости до тех пор, пока они не будут плавать на поверхности, что соответствует достижению охлаждаемой жидкостью температуры —78° С. Детали могут охлаждаться непосредственно в охлажденной жидкости или в сосуде, который охлаждается данной жидкостью ^х. При этом расходуется только сухой лед, который добавляют в жидкости через определенный промежуток времени. Расход углекислоты составляет 800 г на 1 л спирта. Время охлаждения садки 20 кг не превышает 50—60 мин. В другом случае охлаждение деталей производят в жидком воздухе, жидком кислороде или жидком азоте: здесь достигается более глубокое охлаждение (от —180 до—190° С), которое для большинства сталей является излишним. Жидкий азот или жидкий кислород доставляют на завод-потребитель в специальных сосудах и заливают в бак с хорошей тепловой изоляцией или в холодильник. Применяют также специальную установку, в которой жидкий воздух или жидкий кислород циркулируют по змеевику. Температура в охладителе регулируется количеством подаваемого воздуха или кислорода. В последнее время применяют холодильные машины, в которых охлаждение достигается в результате затраты механической или тепловой энергии. В этих машинах применяют жидкости, называемые холодильными агентами, или хладагентами, которые при низкой температуре переходят в парообразное состояние и, наоборот, под действием сжатия и охлаждения могут сгущаться. Промышленные холодильные машины представляют собой главным образом компрессионные машины, в которых получение холода основано на сжатии паров хладагента, обращении их в жидкость и последующем испарении.

Испарение летучей жидкости сопровождается поглощением из окружающей среды большого количества тепла, необходимого для парообразования (скрытая теплота парообразования).

Холодильные машины имеют следующие основные части: испаритель-рефрижератор, или охладитель, в котором жидкий хладагент, превращаясь в пар, вызывает охлаждение; компрессор, в котором происходит повышение давления паров хладагента, засасываемых из испарителя-рефрижератора; конденсатор, в котором сжатые пары хладагента переходят в жидкое состояние под действием охлаждающей воды или другого охладителя; вентиль для дозирования поступления жидкого хладагента в испаритель и, следовательно, регулирующий давление и температуру испарения.

Схема работы холодильной машины представлена на рис. 108. Компрессор 1 отсасывает из испарителя 2 пары хладагента с низкой температурой и сжимает их; при этом температура паров хладагента повышается. Затем в конденсаторе 3 тепло переходит от нагретых паров хладагента к воде (или к другому охладителю). Хладагент из конденсатора в жидком состоянии поступает через регулирующий вентилятор 4 в испаритель. При помощи вентиля можно поддерживать давление, отвечающее требуемой температуре парообразования. Жидкий хладагент, испаряясь в испарителе, понижает температуру окружающей среды—воздуха, незамерзающего раствора поваренной соли или других веществ. Испарившийся хладагент снова засасывается компрессором и таким образом циркулирует по замкнутой системе.

В холодильных машинах широкое применение в качестве хладагентов получили фреоны—галоидные производные насыщенных углеводородов—метана и этана, в которых водород полностью или частично заменен хлором и фтором.

Все хладагенты можно разбить на четыре группы. Основные хладагенты и температуры охлаждения, которых можно достичь при их применении, приведены в табл. 8. Обычно хладагенты разливают в стальные балоны.

Таблица 8

Характеристика хладагентов

В промышленности получили распространение холодильные машины с каскадным циклом, при котором две холодильные машины или более работают совместно. Каскадный метод основан на последовательном сжижении нескольких газов с понижающимися температурами кипения, причем вследствие испарения под пониженным давлением одного газа производится конденсация газа с более низкой температурой кипения (рис. 108, б).

В первом цикле хладагентом может быть аммиак с температурой кипения —33° С, во втором цикле — этилен с температурой кипения —103° С, конденсирующийся под давлением в аммиачном испарителе. Этилен, испаряясь при температуре —103° С, сжижает кислород, являющийся хладагентом третьего цикла и испаряющийся при температуре —183° С, и т. д.