Краткий конспект лекций

по курсу «КРИОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ»

§1. Основные понятия и определения. Задачи курса.

Криогенные установки («крио» - холод) – установки для получения холода определенного потенциала с температурой не больше 147К (t ≥ 147К).

Входят в более широкий класс установок для получения холода и являются разновидностью установок для трансформации теплоты.

Трансформация теплоты – процесс переноса теплоты от объекта относительно низкой температуры tн, который называется теплоотдатчик, к объекту с относительно высокой tв, который называется теплоприемник.

Такой процесс невозможен без совершения затрат работы или теплоты и не может протекать самопроизвольно.

В ходе такого процесса энергия теплоприемника увеличивается на величину Qв.

Qв = Q0 + Lзатрат

Трансформатор теплоты – установка, в которой осуществляется перенос энергии от источника с низкой t к источнику с высокой t с помощью рабочего тела - хладоагента.

Процесс отвода теплоты Q0 эквивалентен подводу холода к объекту в количестве Е0, таким образом, холод – это теплота со знаком “-“.

Количество теплоты, отведенное от объекта в единицу времени (или количество холода, полученное объектом в единицу времени) называется холодопроизводительностью, Вт (Дж/с).

Количество тепла, которое передается теплоприемнику в единицу времени называется теплопроизводительностью теплового трансформатора, Вт.

Если теплотрансформатор служит в основном для производства холода, он называется рефрижератор (R).

Такие теплотрансформаторы делятся на:

- холодильные установки > 147K

- криогенные установки ≤ 147К

Если теплотрансформатор служит преимущественно для выработки тепла, он называется тепловым насосом (Н).

Если теплотрансформатор служит одновременно для выработки и тепла и холода, то он называется кондиционер (RН).

§2. Общий принцип охлаждения.

Чем меньше энтропия системы, тем больше ее упорядоченность и тем меньше ее температура.

Охладить или понизить температуру системы значит снизить ее энтропию.

Самый простой способ охлаждения – изобарное охлаждение.

Для того, чтобы перейти из 1 в 2 необходим объект с температурой t < t2.

Такой способ охлаждения называется естественным или внешним.

В т.2 можно попасть и другим путем:

1-3 изотермическое сжатие.

В этом процессе необходимо отводить тепло (S1  S2).

3-2 адиабатное расширение (при S=const).

Для осуществлении процесса 1-3-2 также понадобился холодный объект, но отвод тепла осуществляется на уровне t1, т.е. на более высоком температурном уровне.

Такой способ охлаждения называется искусственным или внутренним.

Повторив этот цикл в этом же диапазоне давлений (Р1-Р3), можно получить t5 значительно более низкую, чем t2 или t1.

Общий принцип внутреннего охлаждения можно сформулировать так: если t термодинамической системы зависит от S и параметра х, t = f(S; х), например, если х – давление, то необходимо:

Изменить параметр х в изотермических условиях с уменьшением S.

Произвести обратное изменение этого параметра х в адиабатических условиях при S= const

Если в качестве х – давление, то системы называются термомеханическими;

Если в качестве х – напряженность магнитного поля Н, то магнитокаллорические системы;

Если в качестве х – напряженность электрического поля Е, то электрокаллорические системы.

Преимущества искусственного охлаждения:

Можно охладить систему до температуры близкой к абсолютному 0;

Процесс охлаждения непрерывный. На этом принципе строятся машины для непрерывного получения холода;

Процесс получения холода не зависит от климатических условий.

Области применения тепловых трансформаторов:

Теплотрансформаторы, в частности, криогенные установки используются в следующих направлениях:

- металлургия. Продукты разделения воздуха, кислород используется в конверторной, мартеновской плавке, доменное производство и как интенсификатор процесса горения. Азот и аргон – в технологиях рафинирования стали (очистка); для создания инертных сред в процессе термообработки металла (колпаковые печи, протяжные печи); в технологии резки и сварки;

- машиностроение. Обработка стали холодом для увеличения твердости и изностойкости;

- химическая промышленность. Холод используется в технологиях осушки газов; конденсации паров; разделение сложных смесей и растворов; регулирование скорости химических реакций; хранение продуктов химических производств при криогенных температурах;

- газовая промышленность. В технологии разделения газовых смесей (например, получения Не); хранение и транспорт охлажденных продуктов; ожижение природного газа;

- авиация и космонавтика. Получение О2 и Н2; использование их для жидкостных реактивных двигателей;

- энергетика. Создание линий электропередач с использованием эффекта сверхпроводимости;

- радиотехника и электроника. Поддержание температуры элементов аппаратуры для обеспечения стабильных характеристик;

- пищевая промышленность. Криогенные для сверхбыстрой установки, холодильные установки для хранения;

- медицина. Криохирургия.