13 Циклы криоожижителей и криорефрижераторов

Из большого числа задач, которые стоят перед криогеникой, выделим основные и рассмотрим их в общем виде, без учета конкретных технических характеристик и областей назначения. Такими задачами в первую очередь являются:

- криостатирование;

- охлаждение вещества или какого-либо объекта;

- конденсация и кристаллизация чистого вещества или отдельных составляющих смеси;

- ожижение газов;

- разделение газовых смесей на составные части.

Криогенное криостатирование — это процесс поддержания постоянной температуры на уровне ниже 120 К в каком-либо объекте, веществе или среде. При этом необходимо обеспечить перенос теплоты с нижнего температурного уровня Т_х на верхний Т_о, равный температуре окружающей среды.

Для решения этих задач необходимы рабочее вещество (криоагент) и устройство для снижения температуры вещества. Низкотемпературные системы являются энергоемкими. Даже в теоретическом случае, когда все процессы (и внутренние, и внешние) обратимы, затраты энергии существенны и возрастают при снижении температуры.

13.1 Использование идеального обратимого цикла Карно для холодильной машины

Представим себе идеальную установку с обратимыми процессами во всех её частях. Она включает компрессор К1 для изотермического сжатия газа при температуре окружающей среды, детандер Д1 для изоэнтропного расширения, детандер Д2 для изотермического расширения газа при температуре Т_х и компрессор К2 для изоэнтропного сжатия. Детандер Д2 размещен в камере с термостатируемой средой; процесс в детандере Д2 протекает при непрерывном подводе теплоты q_x к расширяюще­муся газу из камеры. Принимаем условие: все процессы установившиеся. Для обеспечения постоянства температуры среды в камере из неё следует непрерывно отводить выделяющуюся теплоту и передавать ее в окружающую среду. Процесс отвода теплоты осуществляют при помощи рабочего вещества — криоагента, циркулирующего в установке. Обычно в качестве рабочего вещества в реальных установках используют различные газы, такие, как азот, гелий, неон и др.

Количество теплоты Q_x, отводимой с использованием установки (системы) в единицу времени при температуре ниже окружающей среды, называют полезной холодопроизводительностью и измеряют в ваттах. Часто для получения удобных для расчета значений холодопроизводительность Q_x относят к единице расхода G циркулирующего рабочего вещества. Тогда полученную величину q_x обычно называют удельной холодопроизводительностью или удельной полезной холодопроизводительностью. При переходе к полным характеристикам необходимо удельное значение умножить на расход рабочего вещества G: Qx = Gq_x

Изобразим процессы, происходящие в установке, на диаграмме Т—s. Они последовательно повторяются и представляют собой единый замкнутый или, как говорят, круговой процесс (цикл), в котором рабочее вещество не расходуется и после завершения цикла вновь возвращается к начальным условиям.

Здесь и далее буквами l, q, s обозначаем удельные или молярные характеристики, отнесенные к единице рабочего вещества; при этом слова «удельная» и «молярная» для краткости опускаем. При изотермическом сжатии в компрессоре К1 необходимо затратить работу lk. В компрессоре К2 также расходуется работа l'k для сжатия рабочего вещества при s = const. Часть работы (l_д и l'_д) возвращается при расширении рабочего вещества в детандерах Д1 и Д2.

Обратимый цикл, состоящий из двух изотерм и двух изоэнтроп, получил название цикла Карно. Цикл Карно может быть прямым, тогда его называют тепловым циклом; он может быть также обратным, и его называют холодильным циклом. Если бы удалось получить холод при помощи такого цикла в заданных температурных пределах с двумя фиксированными тем­пературами (Т_о и Т_х), то расход энергии в нем был бы минимальным.