3.1 Теплофизические свойства криогенных сред
Обзор основные физические свойства используемых в науке и промышленности криогенных сред представлены в таблице 4, а в таблице 5, для сравнения, представлены физические свойства воды.
Минимальная температура насыщения среди представленных веществ у жидкого гелия (Не4) -4.214 К. Пара-водород и неон близки между собой по температуре насыщения -20.39 и 27.09 К, соответственно. Остальные криогенные жидкости (кислород, азот, аргон, фтор, метан) находятся в одном температурном диапазоне – 77.36…111.7 К. Температура насыщения неона при стандартном давлении незначительно выше, чем у жидкого водорода. Поэтому неон является перспективным веществом для использования в системах криостатирования взамен водорода, так как неон обладает более высокой теплотой парообразования на единицу объема и более высокой плотностью.
Жидкий водород — одна из самых легких в природе жидкостей. Плотность жидкого водорода меньше плотности жидкого гелия, жидкого метана, жидкого азота и жидкого кислорода и примерно в 14 раз меньше плотности воды (вода при 15.6° С имеет плотность 999 кг/м3). Низкая плотность является большим недостатком при использовании водорода в качестве топлива в ракетной технике и авиации, так как возрастает объём баков хранения. Кислород при температуре насыщения 90.18 К имеет равна плотность 1141 кг/м3, что больше чем у воды при 15оС. Максимальной плотностью обладает жидкий фтор.
Теплота парообразования наибольшая у метана. Для водорода теплота парообразования в 1.5…2 раза больше, чем у других криогенных жидкостей. Большая теплота парообразования позволяет увеличить время существования криогенной жидкости при прочих равных условиях.
Теплота парообразования азота более чем на порядок меньше, чем у воды. При нормальном давлении теплота парообразования жидкого азота составляет 199.3 кДж/кг, в то время как у воды она равна 2257 кДж/кг.
Все криогенные жидкости, за исключением кислорода, не взаимодействуют с магнитным полем (диамагнетики). Кислород обладает слабыми магнитными свойствами (парамагнетик). Путем измерения магнитной чувствительности газов даже небольшие количества кислорода могут быть обнаружены в смесях других газов. Магнитные свойства кислорода были использованы для имитации условий невесомости. Силы, возникающие из-за взаимодействия кислорода с магнитным полем, в этом случае, уравновешивают силу тяжести.
Все криогенные жидкости хорошо смачивают конструкционные материалы (угол смачивания для них близок к нулю).
Криогенные среды не проводят электрический ток – они являются диэлектриками.
Для всех криогенных сред показатель преломления не более чем на 25% больше чем у паров. Это затрудняет, при проведении экспериментов, визуализацию зеркала жидкости в баке или капель и пузырьков в парожидкостном потоке.
Для проведения расчётов криогенных систем необходимы данные по теплофизическим свойствам криогенных сред. Для всех без исключения криогенных веществ теплофизические свойства существенно зависят от температуры и давления.
К теплофизическим свойствам жидкости и газа (для обозначения жидкости используется индекс l, а газа или пара индекс v) относятся:
плотность жидкости и газа (уравнения состояния)
;энтальпии жидкости и газа (калорические уравнения состояния)
;динамической вязкости жидкости и газа
;теплоёмкость жидкости и газа
;теплопроводности жидкости и газа
;теплота парообразования
или
;коэффициент поверхностного натяжения
.
Для определения теплофизических свойств используются таблицы (графики) или аппроксимирующие кривые. Эти данные обычно представлены в справочниках [1, 2].
В первом приближении для расчёта плотности газа можно использовать уравнение Клайперона – Менделеева для сжимаемых газов
,
где
газовая
постоянная,
m молекулярная масса газа,
z сжимаемость газа.
Величина сжимаемости газа изменяется в диапазоне от 0.3 до 1.1 в зависимости от температуры газа и давления.
На рисунках 12…19 на примере пара – водорода показано влияние термодинамических параметров на основные теплофизические свойства.
Изменение коэффициента сжимаемости пара - водорода от температуры и давления представлено на рисунке 12. При давлениях и температурах близких к стандартным значениям коэффициент сжимаемости незначительно отличается от 1. С увеличением давления и при приближении к температуре насыщения отличие максимальные.
Рисунок 12 - Коэффициент сжимаемости пара - водорода от температуры и давления
Характер изменения плотности жидкого пара - водорода от температуры представлено на рисунке 13. Большинство криогенных жидкостей являются практически несжимаемыми. Поэтому при расчёте плотности жидкости влиянием давления можно пренебречь, за исключением водорода. На рисунке 13 для пара – водорода показано, что с увеличением температуры жидкости её плотность уменьшается. Максимальная плотность наблюдается вблизи тройной точке, а минимальная критической точке.
Рисунок 13 – Изменение плотности жидкого пара - водорода от температуры
Характер изменения теплоёмкости жидкого пара - водорода от температуры представлен на рисунке 14 Для пара – водорода видно, что с увеличением температуры жидкости её теплоёмкость увеличивается. Максимальная теплоёмкость наблюдается вблизи критической точки, а минимальная тройной точки.
Рисунок 14 – Изменение теплоёмкости жидкого пара - водорода от температуры
Характер изменения теплопроводности жидкого пара - водорода от температуры представлен на рисунке 15. С увеличением температуры жидкости её теплопроводность увеличивается. Максимальная теплопроводность наблюдается вблизи критической точки, а минимальная тройной точки.
Рисунок 15 – Изменение теплопроводности жидкого пара - водорода от температуры
Характер изменения динамической вязкости жидкого пара - водорода от температуры представлен на рисунке 16. С увеличением температуры жидкости её динамическая вязкость уменьшается. Максимальное значение наблюдается вблизи тройной точки, а минимальное критической точки.
Рисунок 16 – Изменение динамической вязкости жидкого пара - водорода от температуры
На рисунках 17, 18 представлены теплофизические свойства, характеризующие процессы на межфазной поверхности - теплота парообразования и коэффициент поверхностного натяжения. Вблизи тройной точки эти параметры имеют максимальное значение, а критической они равны нулю.
Рисунок 17 – Изменение теплоты парообразования пара - водорода от температуры насыщения
Рисунок 18 – Изменение коэффициента поверхностного натяжения пара - водорода от температуры насыщения
На рисунках 19…21 представлены изменения теплофизических свойств от температуры, характеризующие теплофизические процессы в газообразном пара – водороде - динамическая вязкость, теплопроводность и теплоёмкость. Динамическая вязкость и теплопроводность увеличиваются с ростом температуры. Теплоёмкость возрастает с увеличением температуры, а затем её изменение от температуры незначительно.
Рисунок 19 – Изменение динамической вязкости газообразного пара - водорода от температуры
Рисунок 20 – Изменение теплопроводности газообразного пара - водорода от температуры
Рисунок 21 – Изменение теплоёмкости газообразного пара - водорода от температуры
Теплофизические свойства веществ претерпевают значительные изменения вблизи критической точки. Эти приводят к появлению аномалий процессов тепло - и массообмена. На рисунке 22 показано, что когда разность температур между теплоотдающей поверхностью и средой невелика (минимальный тепловой поток qmin), то наблюдается максимум коэффициент теплоотдачи. При большой разности температур (максимальный тепловой поток qmax) наблюдается минимум коэффициента теплоотдачи.
Рисунок 22 – Влияние температуры среды и плотности теплового потока на коэффициент теплоотдачи при околокритических условиях
На рисунках 23…26 представлены данные по поведению плотности, теплоёмкости. теплопроводности и динамической вязкости от температуры при сверхкритическом давлении.
Рисунок 23 – Изменение плотности газообразного водорода от температуры и давления
Рисунок 24 – Изменение теплоёмкости газообразного водорода от температуры и давления
Рисунок 25 – Изменение приведённой теплопроводности газообразного водорода от приведённой температуры и приведённого давления
Рисунок 26 – Изменение динамической вязкости газообразного водорода от температуры
Таблица 4
Физические свойства криогенных сред
Вещество |
Молекулярная масса |
Т,Р в тройной точке |
Т, Р в критической точке |
Тs при стандартном давлении |
Плотность жидкости и пара |
Теплота парообразования при стандартном давлении |
Краевой угол смачивания |
Диалектрическая проницаемость жидкости |
Показатель преломления жидкости и газа |
|
|
К/кПа |
К/ бар |
К |
кг/м3 |
кДж/кг |
град |
- |
- |
Кислород (O2) |
32 |
54.35 |
154.778 |
90.18 |
1141 |
213 |
0 (сталь) |
1.48 |
1.22 |
0.12 |
50.44 |
4 |
1 |
1 |
|||||
Азот (N2) |
28 |
63.15 |
126.25 |
77.36 |
807 |
199 |
0 (сталь) |
1.438 |
1.2 |
12.5 |
34 |
5 |
7.5 (Al) |
1 |
1 |
||||
Аргон (Ar) |
40 |
83.78 |
150.86 |
87.3 |
1394 |
163 |
|
1.507 |
1.227 |
68.7 |
48 |
|
|
1 |
1 |
||||
Фтор (F2) |
38 |
53.5 |
144 |
85.24 |
1507 |
172 |
|
|
|
0.025 |
56.8 |
|
|
|
|
||||
Метан (CH4) |
16 |
88.7 |
191.05 |
111.7 |
424.1 |
509 |
|
1.682 |
1.3 |
11.72 |
46.3 |
|
|
1 |
1 |
||||
Неон (Ne) |
20 |
24.55 |
44.4 |
27.09 |
1206 |
86.25 |
|
1.19 |
1.02 |
43.3 |
26.53 |
|
1 |
1 |
|||||
Пара-водород (p-H2) |
2 |
13.803 |
32.976 |
20.39 |
70.5 |
448 |
0 (сталь) |
1.228 |
1.11 |
7.4 |
12.84 |
1.24 |
0 (Al) |
1 |
1 |
||||
Гелий (He) |
4 |
|
5.201 |
4.214 |
124.8 |
20.43 |
|
1.049 |
1.024 |
|
2.27 |
|
|
1 |
1 |
Таблица 5
Свойства воды
Вещество |
Молекулярная масса |
Т,Р в тройной точке |
Т, Р в критической точке |
Тs при стандартном давлении |
Плотность жидкости и пара |
Теплота парообразования при стандартном давлении |
Краевой угол смачивания |
Диэлектрическая проницаемость жидкости |
Показатель преломления жидкости и газа |
||||||
|
|
К/ бар |
К/ бар |
К |
кг/м3 |
кДж/кг |
град |
- |
- |
||||||
Вода (H2O) |
18 |
273.16 |
647 |
373.16 |
1000 |
2257 |
45÷60 (сталь) |
81 |
1.33 |
||||||
1 |
129 |
|
|
1 |
1 |
||||||||||
