МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра 204

Фирсов В.П.

КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА

2012 год

ПРЕДИСЛОВИЕ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ 13

1 Ракетно-космическая техника 17

2 Авиационная техника 20

3 Физика высоких энергий и энергетика 21

4 Электроника 22

5 Машиностроение 23

6 Химия 23

7 Металлургия 23

8 Криобиология и криомедицина 23

9 Пищевая промышленность 24

10 Повторное использование материалов 24

2 СВОЙСТВА КРИОГЕННЫХ СРЕД 25

4. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКЕ 53

4.1 Теплофизические свойства материалов 53

4.2 Механические свойства материалов при криогенных температурах 57

4.3 Электрические свойства материалов при криогенных температурах 61

4.4 Явление сверхпроводимости 63

5. КРИОГЕННАЯ ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ 71

5.1 Пассивная изоляция 74

5.1.1 Газонаполненная теплоизоляция 74

5.1.1.1 Порошковая и волокнистая газонаполненная изоляция 78

5.1.2 Вакуумированная теплоизоляция 79

5.1.2.2 Экранно-(слоисто-)вакуумная изоляция 83

5.2 Активная изоляция 86

5.3 Показатели эффективности изоляции 88

5.4 Тепловые мосты 90

5.4.1 Расчет теплопритоков через термомосты 91

6.1 Конструктивные схемы крупных хранилищ 98

6.2 Транспортные сосуды 99

6.2.1 Гелиевые резервуары 99

6.3. Криосорбционные насосы 102

7. Системы подачи жидкости к потребителю 106

7.1 Особенности конструкций криогенных магистралей 110

7.1.1 Трубопроводы 111

7.1.2 Температурные компенсаторы 118

7.1.3 Запорно-регулирующая арматура 122

7.1.3.1 Материалы, используемые при изготовлении уплотнений 127

7.1.3.2 Гидравлические потери 128

7.1.4 Фильтры 129

9.1.5 Насосы в криогенной технике 129

136

11 8. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМ 137

8.1 Особенности эксплуатации водородных систем 137

148

9.1 Структура парожидкостных потоков при захолаживании магистрали 150

9.1.1 Пленочное кипение 150

9.1.2 Пузырьковое кипение 152

9.3 Структура потока по длине магистрали при захолживании 153

10.8 Расчет процессов захолаживания 163

10. ОХЛАЖДЕНИЕ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ 165

11 СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ, ОХЛАЖДЕНИЯ И ОЖИЖЕНИЯ 170

12. ОХЛАЖДЕНИЕ ГАЗА 173

13.2 Цикл Линде-Хэмпсона с простым дросселированием 184

13.6 Обратный цикл Стирлинга 195

Предисловие

Учебное пособие по курсу “Криогенная техника” предназначено для студентов, обучающихся по специальности “Авиационная и ракетно-космическая теплотехника” (специальность 1315). Накопленный опыт преподавания этой дисциплины в течение многих лет позволил определить необходимый объём знаний по проблемам использования криогенных жидкостей в ракетно-космической технике.

Широкое внедрение криогенных жидкостей в качестве компонентов топлива жидкостных ракетных двигателей и теплоносителей для ЯРД потребовало создание целой отрасли промышленности со своими уникальными технологиями и специфическими методами расчета, конструирования, испытаниями образцов новой техники. Особенно впечатляют успехи криогенной техники, достигнутые в 60...80 годах. Именно в эти годы создаются мощные ракеты и космические системы, использующие жидкий водород, кислород, фтор и т.п. В Америке это известные ракетоносители “Сатурн - V”, а в России Н-1, “Энергия”, космические корабли многоразового использования “Спейс-Шатл”, ”Буран”.

Внедрение за последние годы криогенных технологий в энергетике, медицине, сельском хозяйстве, в системах наблюдения за объектами из Космоса также определяет большой интерес к решению многих специфических проблем криогенной техники.

Научные монографии, статьи в научных журналах и доклады на конференциях, изданные за последние годы, а также опыт, накопленный в НИИ и КБ, где создавались эти криогенные технологии, были использованы при написании этого пособия.

Пособие ориентированно на студентов начинающих знакомство с криогенной техникой, но получивших необходимый минимум знаний по курсам “Термодинамика” и “Теплопередача”.

Введение

Создание и эксплуатация криогенной техники требует решения большого количества научно-технических задач, основными из которых являются: ожижение газов, хранение и промышленное производство жидких газов, разработка и изготовление теплоизоляционных материалов, а также использование криогенных сред в авиационной и ракетно-космической технике, криомедицине и т. п..

Можно условно разделить большинство технологий по используемому диапазону температур, а, следовательно, технических устройств реализующих эти технологии на три больших группы: криогенная технология, холодильная технология и обычные технологии.

Температуры ниже 120 К(- 153.16 ^оС) относятся к криогенным температурам. Диапазон температур от 120 К (-153.16 °С) до 293 К (+20 °С) используется в холодильных технологиях. На рисунке 1 показано условное деление технологий на температурной шкале.

В более узком смысле термины криогенные технологии, криогенная техника означает технологии и оборудование, работающее при криогенных температурах.

Рисунок 1 – Классификация технических систем по температуре

Криогенные температуры существенно ниже температуры окружающей среды, которая изменяется от -50 до 50 ^оС или 223…323 К. Между окружающей средой и элементами конструкций криогенной техники разница температур может превышать 180 К. Без использования специальной теплоизоляции при этих перепадах температур возникают большие теплопритоки в криогенную систему от 2 до 30 кВт/м². Столь существенные теплопритоки не только снижают эффективность работы криогенного оборудования, но и делают её функционирование невозможным. Поэтому криогенное оборудование обязательно обеспечивается специальной теплоизоляцией.

В криогенной технике в качестве рабочего тела, называемого криогенной средой, получили применение следующие вещества

Таблица 1

Для примера, в таблице 2 представлены наиболее характерные вещества, используемые в качестве теплоносителей в холодильной технике.

Таблица 2

Вещество	Рабочая температура, °С
Хладоны (фреоны)	до -25 °С
Аммиак	до -33 °С
Хлор	до -34 °С
СО2	до -72 °С

Криогенные среды относятся к классу совершенных газов в термодинамике, так как их свойства близки к свойствам идеального газа вдали от кривой фазового перехода при стандартных условиях: давлении 1.013 бар и температуре 290 К(+20 °С). При криогенных температурах они могут находиться в различных агрегатных состояниях: газ (пар), жидкость или твердое вещество (лёд).

Фазовое или агрегатное состояние криогенной среды определяется её фазовой диаграммой или диаграммой состояния. Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение соотношений между основными параметрами состояния вещества и её агрегатным состоянием. По диаграмме состояния можно установить температуру начала и конца фазовых превращений, а также фазовый состав в условиях термодинамического равновесия.

Основные термодинамические параметры, характеризующие состояние среды: давление (Р), температура (Т), энтальпия (H), энтропия (S), удельный объем (v) или плотность(ρ).

Наиболее важные термодинамические характеристики криогенных сред обычно определяются для следующих условий:

• в тройной точке - ;

• в критической точке - ;

• при температуре насыщения - для стандартного атмосферного давления (1.013 бар) -( ).

Тройная точка на диаграмме состояния соответствует значениям термодинамических параметров, при которых вещество одновременно существует в трех агрегатных состояниях: газ, жидкость, твердое вещество.

Критическая точка на диаграмме состояния – точка, соответствует значениям термодинамических параметров, при которых отсутствует разница в коэффициенте преломления жидкости и газа, т.е. исчезает межфазная поверхность. Чем больше показатель преломления жидкости по сравнению с газом, тем отчетливее наблюдается граница раздела фаз.

Диаграмма состояния могут быть представлены в различных координатах: p-v, p-T, T-s, H-T и т. п.

На рисунке 2 представлена диаграмма фазового состояния параводорода в координатах p-T. Области устойчивого (равновесного) фазового состояния криогенной среды обозначены различной штриховкой.

Кривая сублимации соответствует равновесному существованию твердой и газовой фаз. Кривая плавления соответствует равновесному существованию твердой и жидкой фаз. Кривая насыщения (испарения) соответствует равновесному существованию жидкой и паровой фаз. Температура и давление при движении вдоль кривой насыщения (кривая упругости пара) называются температурой насыщения (T_s) и давлением насыщения (P_s) - .

Если мы будем перемещаться вдоль кривых сублимации, плавления или насыщения, то вещества будут находиться в двух агрегатных состояниях. В этом случае существует граница раздела фаз – межфазная поверхность.

Переход вещества из одного фазового состояния в другое сопровождается скачкообразным изменением удельного объёма (плотности) и энтропии. Эти фазовые переходы называются фазовыми переходами 1-го рода и сопровождаются поглощением или выделением теплоты называемой теплотой или энергией фазового перехода. Переход из твердого агрегатного состояния в газообразное состояние (сублимация) сопровождается поглощением теплоты фазового перехода -сублимации. Переход из твердого агрегатного состояния в жидкое состояние (плавление) сопровождается поглощением теплоты фазового перехода - плавления. Переход из жидкого агрегатного состояния в газообразное состояние (испарение) сопровождается поглощением теплоты фазового перехода -испарения. При изменении знака перехода агрегатных состояний процесс поглощения тепла меняется на процесс выделения тепла. В этом случае испарение и сублимация заменяется конденсацией, плавление – затвердеванием.

Если температура газа находится между тройной температурой и критической при давлении ниже тройной точки и критической, то газ при этих термодинамических параметрах называют паром.

На рисунке 3 представлена та же диаграммы состояния параводорода в координатах p-v.

На рисунке 4 показана более подробно кривая насыщения для параводорода.

Диаграммы состояния других криогенных веществ, за исключением гелия, имеют аналогичный вид. Особенности диаграммы фазового состояния гелия будут подробно рассмотрены в разделе 3.

Рисунок 2 - Диаграмма состояния параводорода в координатах p-T

Рисунок 3 - Диаграмма состояния параводорода в координатах p-v

Рисунок 4 – Кривая насыщения параводорода (кривая упругости пара)