Контрольные вопросы и задания:

1. В сосуде Дьюара находится жидкий азот при t_ос=20 ⁰С. Определите минимальную мощность криогенной системы для термостатирования 25 кг жидкого криоагента при атмосферном давлении, если теплоприток в сосуд Дьюара составляет 20 Вт/кг.

2. Определите, какое количество теплоты надо отвести от 10 кг воздуха, чтобы охладить его в изобарном процессе от 200 К до 120 К? Определите минимальную работу, которую надо затратить для того, чтобы обеспечить это охлаждение. t_ос=25 0С.

3. Ожижить воздух, находящийся при атмосферном давлении и температуре 290 К. Определите минимальную работу ожижения килограмма криоагента, количество теплоты, которое надо отвести от килограмма криоагента. Определите работу, которую необходимо затратить для ожижения того же количества воздуха в цикле Карно.

4. Определите минимальную работу разделения 1 моля воздуха для получения чистых кислорода и азота, при этом принять температуру Т₀=300 К и давление смеси и продуктов разделения p₀=0,1 МПа; считать воздух за бинарную смесь О₂–N₂; молярная доля N₂ в воздухе y_a=0,791.

6. Реальные циклы криогенных систем

6.1. Классификация криогенных циклов

Последовательная совокупность отдельных процессов представляет собою рабочий цикл установки.

В основе классификации криогенных установок лежат существенные признаки, изменение которых приводит к появлению новых элементов в структуре циклов. Число таких признаков довольно велико, к ним могут быть отнесены следующие:

• назначение цикла;

• способы получения холода (типы термодинамических процессов охлаждения);

• число ступеней охлаждения;

• вид и число рабочих веществ;

• температурный уровень охлаждения; полезная холодопроизводительность;

• типы применяемого оборудования.

Приведенная далее система классификации использует два наиболее существенных признака: назначение установки и способ получения холода. Такая система классификации может быть развита при использовании других признаков.

По назначению все криогенные установки подразделяют на четыре основные группы: рефрижераторные, ожижительные, комбинированные и газоразделительные.

1. Рефрижераторные установки. Эта группа обширна и предназначена для решения таких задач криогеники, как охлаждение и термостатирование. Как правило, эти задачи решают одновременно; объект охлаждают до заданного температурного уровня и поддерживают в этом состоянии компенсацией притока теплоты с помощью того или иного процесса охлаждения.

Каждая область применения имеет свои требования в отношении температуры, холодопроизводительности, массы, габаритов, энергозатрат, времени пуска, надежности и др. Следствием этого является различие типов применяемых циклов.

2. Ожижительные установки используют для решения другой основной задачи криогеники - перевода веществ в жидкое состояние, а иногда и в твердую фазу. Наиболее широко криогенные ожижительные системы применяют для ожижения природного газа (метана), кислорода, азота, водорода, гелия. Каждое вещество имеет свою температуру конденсации, например, от 112 К для метана до 4,2 К для гелия. Кроме того, сильно различаются производительности установок: от нескольких литров сжиженного криоагента в час до десятков тысяч литров в час. Крупные установки должны иметь более экономичные и, следовательно, более сложные циклы.

3. Комбинированные установки. В настоящее время широко применяют установки, позволяющие одновременно (или последовательно) ожижать газ и производить термостатирование в рефрижераторном режиме. Такое совмещение функций делает установки наиболее универсальными, гибкими, способными решать различные задачи. Наиболее распространены гелиевые ожижители-рефрижераторы.

4. Газоразделительные установки. Разделение газовых смесей на составные компоненты также относится к основным задачам криогеники. В процессе разделения, как правило, газовую смесь охлаждают до температуры конденсации.

Основная исходная газовая смесь - это атмосферный воздух, из которого получают азот, кислород, аргон, а также редкие газы (криптон, ксенон, неон). Процессы конденсации используют для разделения природных и попутных газов, для выделения редких изотопов. Установки формируют с учетом свойств рабочего вещества, производительности, вида получаемого продукта и ряда других факторов.

Один и тот же термодинамический цикл может быть применен в рефрижераторных, ожижительных и газоразделительных установках, выполняющих различные задачи. В связи с этим необходима классификация по способу получения холода, позволяющая подразделять циклы по типу применяемых термодинамических процессов охлаждения.

По способу получения холода циклы криогенных установок подразделяют на группы, каждая из которых включает ряд типов в зависимости от процесса охлаждения.

1. Циклы на основе термомеханической системы, для которой рабочей средой являются газ или жидкость. В этой системе процессы осуществляются воздействием давления р (обобщенной силы) на объем v (обобщенную координату). В этих циклах используют следующие термодинамические процессы охлаждения: дросселирование, расширение в детандере, выхлоп из постоянного объема, изотермическое расширение с подводом теплоты, испарение жидкого криоагента. В ряде циклов используют сочетание этих процессов.

2. Циклы с использованием рабочей среды в твердом состоянии. В этих циклах применяют такие процессы охлаждения, как адиабатное размагничивание и термоэлектрическое охлаждение.

3. Циклы на основе изотопов гелия. К этой группе можно отнести циклы, использующие особые свойства такой рабочей среды, как ожиженные изотопы гелия ⁴Не и ³Не. В частности, достаточно широко применяют процесс растворения ³Не и ⁴Не.

Первая из указанных групп циклов наиболее обширна и является основной в криогенной технике, поскольку в промышленных установках используют именно термомеханическую систему. Адиабатное размагничивание и растворение ³Не и ⁴Не предназначено главным образом для получения сверхнизких температур (ниже 1 К). Эти системы используют в физических экспериментах; промышленного применения они практически не имеют.