- •Введение
- •1. Третье начало термодинамики
- •2. Методы достижения низких температур
- •2.1. Процессы, сопровождающиеся понижением температуры в адиабатных условиях
- •2.2. Изменение основных термодинамических величин при сжатии реального газа
- •2.3. Дросселирование
- •2.5. Равновесное адиабатное расширение газа
- •Выхлоп или свободный выпуск газа из баллона. Процесс впуска
- •2.7. Процессы в адиабатной системе с переменной маcсой
- •2.8. Расширение газа в адиабатной вихревой трубе ранка—хилша
- •2.9. Процессы волнового расширения газа
- •2.10. Откачка паров кипящей жидкости
- •2.11. Процессы охлаждения с использованием рабочей среды в твердом состоянии
- •2.12. Процессы охлаждения, основанные на использовании свойств 4He и 3He
- •2.13. Различные процессы охлаждения
- •3. Циклы криогенных установок
- •3.1. Цикл с однократным дросселированием
- •1. Цикл без регенерации
- •2. Цикл с регенерацией
- •3. Анализ энергетических характеристик цикла линде
- •3.2. Потери холода в циклах криогенных установок
- •3.3. Цикл с однократным дросселированием и промежуточным охлаждением
- •3.4. Детандерные циклы
- •3.5. Детандерный цикл среднего давления
- •3.6. Детандерный цикл высокого давления
- •3.7. Детандерный цикл низкого давления
- •3.8. Газовые криогенные циклы
- •4. Теоретические основы разделения смесей
- •4.1. Термодинамические диаграммы смесей
- •4.2. Теоретические основы процесса ректификации
- •4.3. Методы расчета процесса ректификации
- •Литература
2.10. Откачка паров кипящей жидкости
Процесс в жидкости при уменьшении давления над ее зеркалом в изолированном сосуде напоминает процесс кипения. Через слой жидкости поднимаются пузырьки пара, который откачивается вакуумным насосом. Однако, при откачке могут существовать режимы только поверхностного испарения. Например, при откачке паров He после перехода через -точку видимый процесс кипения прекращается. Режимы поверхностного испарения наблюдаются также при глубоком вакуумировании азота и кислорода. Во всех случаях испаряющийся пар отнимает энергию у жидкости и внутренних стенок сосуда, вследствие чего температура остающейся жидкости и стенок снижается (рис. 2.11).
Скорость изменения температуры жидкости в сосуде определённой геометрии определяется в основном интенсивностью откачки её паров, т.е. производительностью вакуумного насоса. Разные криогенные жидкости имеют различные зависимости давления насыщенных паров и теплоёмкости жидкости от температуры, поэтому при использовании одинаковых насосов темп охлаждения, при прочих одинаковых условиях, разный. Прекращение охлаждения происходит при понижении давления до такой величины, при которой уменьшение энергии компенсируется внешним теплопритоком. По этой причине для 4He с помощью даже самых мощных вакуумных насосов не удаётся получить температуру ниже 0,5 К.
Пусть r — скрытая теплота испарения жидкости; m — масса жидкости в сосуде; mн – начальная масса жидкости; mст - масса внутренних стенок; сж и cст — теплоемкость жидкости и материала стенок; Qc — теплоприток через изоляцию.
В первом приближении снижение температуры жидкости при откачке ее доли m:
Т (rср mпр – qc.пр )[(1 - m пр) сж ср + 0,5 mпр сж.ср + mст .пр с ср.ст]-1 , (2.29)
где mпр и qc.пр - приведенные к mн величины.
На практике часто применяют этот метод для получения недогретых (ранее называемых переохлажденными) жидкостей. В реальных условиях возникают дополнительные потери, главным образом из-за неравновесности и недоиспользования скрытой теплоты испарившейся жидкости. Уходящий пар не находится в равновесии со всей массой остающейся жидкости, в которой существуют температурные градиенты. Наиболее интенсивно охлаждаются слои жидкости вблизи ее зеркала. Разность температур жидкости в режимах кипения обычно не превышает 2 К, а в режимах поверхностного испарения (кроме Не) может достигать 5 К. Дополнительные потери зависят от режимов откачки, многих конструктивных факторов, наличия смесителей и др.
Рис. 2.11. Схемы: а — откачки паров криогенной жидкости; б — рефрижератора замкнутого цикла с адсорбционным насосом для откачки газов; ВН — вакуумный насос; 1- испаритель; 2 — конденсатор; 3 — адсорбционный насос; q, qk , qадс и qдес- теплота соответственно подводимая, конденсации, адсорбции и десорбции
Действительные значения Т меньше рассчитанных по формуле (2.29), которую можно уточнить, введя в числитель в общем виде дополнительные потери qдоп.
Откачку паров жидкостей можно выполнять различными устройствами, в том числе и криогенными вакуумными насосами. На рис. 2.11 показана принципиальная схема криорефрижератора с адсорбционным насосом. В процессе адсорбции происходит откачка паров, и теплота испарения жидкости используется для охлаждения. В процессе десорбции одновременно происходит процесс конденсации рабочего вещества в конденсаторе, и этим процессом цикл замыкается.