Обучающихся по специальности 8.090520

"Холодильные машины и установки"

 

Под редакцией профессора В.А. Наера

 

Одесса - 2002

 

 

Составитель – Лось Валерий Иосифович

доцент кафедры криогенной техники

Рецензент – Наер Вячеслав Андреевич

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Криогенная техника»

 

 

Конспект лекций по дисциплине «Криогенная техника» включает темы, связанные с особенностями поведения веществ при низких температурах, методами достижения низких температур, расчётом и анализом циклов криогенных установок, а также с теоретическими основами разделения смесей. Основная цель состояла в сжатом изложении основных направлений криогенной техники для студентов, специализирующихся в области умеренного холода, но желающих составить представление об этой области низкотемпературной техники.

В конспекте излагается третье начало термодинамики и рассматриваются особенности поведения тел вблизи абсолютного нуля. При изложении раздела, посвящённого методам достижения низких температур, использован материал, обобщённый и достаточно полно изложенный в учебнике Архарова А.М., Марфениной и Микулина Е.И «Криогенные системы». Разделы, связанные с рассмотрением циклов криогенных установок и теоретических основ разделения смесей, изложены таким образом, чтобы студент получил основное представление о методах сжижения и разделения газовых смесей. Для углублённого изучения, рассматриваемых в конспекте вопросов, приведен список соответствующей литературы.

 

Конспект лекций по дисциплине «Криогенная техника» для студентов специальности 8.090520 «Холодильные машины и установки» рассмотрен на заседании кафедры «Криогенная техника» (протокол № 2 от 10 октября 2002 года) и утверждён методической комиссией института низкотемпературной техники.

 

Председатель методической комиссии

доктор технических наук, профессор Е.С.Авдеев

 

о г л а в л е н и е

 

Введение.................................................................................................................................................................................... 3

1. ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ....................................................................................................................... 3

2. МЕТОДЫ ДОСТИЖЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР.............................................................................................. 3

2.1. ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕСЯ ПОНИЖЕНИЕМ........................................................................... 3

ТЕМПЕРАТУРЫ В АДИАБАТНЫХ УСЛОВИЯХ..................................................................................................... 3

2.2. ИЗМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПРИ СЖАТИИ РЕАЛЬНОГО ГАЗА 3

2.3. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ................................................................................................................................................. 3

2.4. ПРОЦЕСС U = CONST.................................................................................................................................................. 3

2.5. РАВНОВЕСНОЕ АДИАБАТНОЕ РАСШИРЕНИЕ ГАЗА................................................................................ 3

2.6. ВЫХЛОП ИЛИ СВОБОДНЫЙ ВЫПУСК ГАЗА ИЗ БАЛЛОНА............................................................ 3

ПРОЦЕСС ВПУСКА............................................................................................................................................................... 3

2.7. ПРОЦЕССЫ В АДИАБАТНОЙ СИСТЕМЕ С ПЕРЕМЕННОЙ МАCСОЙ................................................. 3

2.8. РАСШИРЕНИЕ ГАЗА В АДИАБАТНОЙ ВИХРЕВОЙ ТРУБЕ РАНКА—ХИЛША................................ 3

2.9. ПРОЦЕССЫ ВОЛНОВОГО РАСШИРЕНИЯ ГАЗА............................................................................................ 3

2.10. ОТКАЧКА ПАРОВ КИПЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ.................................................................................................... 3

2.11. ПРОЦЕССЫ ОХЛАЖДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ 3

2.12. ПРОЦЕССЫ ОХЛАЖДЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ СВОЙСТВ ⁴He и ³He.. 3

2.13. РАЗЛИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ОХЛАЖДЕНИЯ.................................................................................................... 3

3. ЦИКЛЫ КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК...................................................................................................................... 3

3.1. ЦИКЛ С ОДНОКРАТНЫМ ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ....................................................................................... 3

3.2. ПОТЕРИ ХОЛОДА В ЦИКЛАХ КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК.................................................................. 3

3.3. ЦИКЛ С ОДНОКРАТНЫМ ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ И.................................................................................. 3

ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ..................................................................................................................... 3

3.4. ДЕТАНДЕРНЫЕ ЦИКЛЫ........................................................................................................................................... 3

3.5. ДЕТАНДЕРНЫЙ ЦИКЛ СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ............................................................................................ 3

3.6. ДЕТАНДЕРНЫЙ ЦИКЛ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ.......................................................................................... 3

3.7. ДЕТАНДЕРНЫЙ ЦИКЛ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ............................................................................................... 3

3.8. Газовые криогенные циклы....................................................................................................................... 3

4. Теоретические основы разделения смесей....................................................................................... 3

4.1. Термодинамические диаграммы смесей...................................................................................... 3

4.2. Теоретические основы процесса ректификации.................................................................. 3

4.3. Методы расчета процесса ректификации..................................................................................... 3

литература.............................................................................................................................................................................. 3

 

Введение

 

Криогенная техника – самая молодая отрасль холодильной техники. Развитие криогенной техники тесно связано с прогрессом новых отраслей промышленности. Интенсивное развитие криогенной техники в значительной степени обязано широкому использованию продуктов разделения воздуха, природного газа и различных газовых смесей в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

В настоящее время в значительных масштабах используются температуры жидкого водорода (20,4 К). Всё большее значение приобретают температуры жидкого гелия (4,2 К) в практической радиотехнике, в радиоэлектронике.

Значительное количество воздухоразделительных и газоразделительных установок находится в эксплуатации. Установки такого рода отличаются большой энергоёмкостью. Поэтому серьёзное значение имеет использование методов анализа энергетической эффективности процессов и определения оптимальных режимов работы установок. Достаточное внимание в криогенной технике уделяется вопросам теплообмена и разделения, так как эти процессы, играя существенную роль в технике глубокого охлаждения, часто определяют конструктивное и аппаратурное решение всей установки.

Курс лекций содержит изложение термодинамических основ криогенной техники, достаточно подробное рассмотрение методов получения низких температур. Должное внимание уделяется расчёту и анализу теоретических и действительных циклов криогенных установок, анализу процессов разделения смесей. Основное внимание при этом уделено основному промышленному методу разделения смесей – ректификации. Изучение этого вопроса завершается рассмотрением методов расчёта числа теоретических тарелок.

ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

 

Открытие третьего начала термодинамики связано с нахождением химического сродства—величины, характеризующей способность различных веществ химически реагировать другс другом. Эта величина определяется работой химических сил при реакции.

Первое и второе начала термодинамики позволяют вычислить химическое сродство только с точностью до некоторой неопределенной функции. Чтобы определить эту функцию, нужны в дополнение к обоим началам термодинамики новые опытные данные о свойствах тел. Поэтому Нернстом были предприняты широкие экспериментальные исследования поведения веществ при низкой температуре. В результате этих исследований и было сформулировано третье начало термодинамики:

по мере приближения температуры к 0 К энтропия всякой равновесной системы при изотермических процессах перестает зависеть от каких-либо термодинамических параметров состояния и в пределе (T =0 К) принимает одну и ту же для всех систем универсальную постоянную величину, которую можно принять равной нулю.

 

Общность этого утверждения состоит в том, что, во-первых, оно относится к любой равновесной системе и, во-вторых, что при Т 0 К энтропия не зависит от значения любого параметра системы. Таким образом, по третьему началу,

 

 

(1.1)

или

 

(1.2)

 

где х— любойтермодинамический параметр.

 

Предельное значение энтропии, поскольку оно одно и то же для всех систем, не имеет какого-либо физического смысла и поэтому полагается равным нулю. Как показывает статистическое рассмотрение этого вопроса, энтропия, по своему существу, определена с точностью до произвольной постоянной (подобно, например, электростатическому потенциалу системы зарядов в какой-либо точке поля). Таким образом, нет смысла вводить некую «абсолютную энтропию», как это делал Планк и некоторые другие ученые.

Постоянство энтропии (S 0) при Т 0 К, согласно (1.1), означает, что изотермический процесс T=0 К является одновременно и изоэнтропийным, а следовательно, и адиабатным. Таким образом, по третьему началу нулевая изотерма совпадает с нулевой изоэнтропой и адиабатой.

Существует ряд веществ (некоторые сплавы, глицерин, СО, NO и др.), для которых при T 0 К стремится к отличной от нуля величине.

Как показал тщательный анализ, это кажущееся противоречие с третьим началом связано с «замораживанием» некоторых веществ в метастабильных или неравновесных состояниях, в которых при низкой температуре эти вещества могут находиться длительное время (несколько дней или недель), прежде чем придут в стабильные равновесные состояния. Когда измерения были проведены с большими промежутками времени, то оказалось, что разность энтропии во всех случаях исчезает при T 0 К.

В настоящее время справедливость третьего начала обоснована для всех термодинамически равновесных систем.

 

Из третьего начала непосредственно следует недостижимость температуры 0 К.

 

Действительно, охлаждение системы осуществляется повторением следующих другза другом процессов адиабатного расширения (при котором понижается температура) и изотермического сжатия (при котором уменьшается энтропия). По третьему началу при изотермических процессах, когда температура приближается к 0 К, энтропия перестает изменяться при сжатии. Поэтому состояние с S=0 за конечное число указанных процессов недостижимо, а следовательно, недостижим и 0 К, так как согласно тому же началу состояние с T =0 К совпадает с состоянием S=0. К температуре 0 К можно лишь асимптотически приближаться.

Это следствие третьего начала по своему содержанию эквивалентно третьему началу, т. е. если третье начало неверно, то можно достичь температуры 0 К, и если можно достичь 0 К, то разность значений энтропии при 0 К должна быть отлична от нуля. По этой причине третьим началом термодинамики часто называют принцип недостижимости 0 К. Именно так сформулировал это начало Нернст, который не любил понятия энтропии и не употреблял его. Однако, формулировка третьего начала в виде закона о поведении энтропии при T 0 К более удобна, так как непосредственно приводит к лаконичной математической записи, приведенной ранее.

Сказанное позволяет сформулировать следующее положение: