Лекции - Криогенная техника

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

И НАУКИ УКРАИНЫ

Одесская государственная академия холода

Кафедра криогенной техники

Лось В.И.

Криогенная техника

конспект лекций для студентов,

обучающихся по специальности 8.090520

"Холодильные машины и установки"

Одесса - 2003

Составитель - Лось Валерий Иосифович,

доцент кафедры криогенной техники

Редактор - Наер Вячеслав Андреевич

доктор технических наук, профессор

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, посвященного 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 специальностг; 8.090520

«Холодильные машины и установки» рассмотрен на заседании кафедры криогенной техники

14 ноября 2002 года (протокол № 4) и утверждён методической комиссией института

низкотемпературной техники.

Председатель методической комиссии

доктор технических наук, профессор Т.Е. Морозюк

оглавление

ВВЕДЕНИЕ..

1. ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ..

2. МЕТОДЫ ДОСТИЖЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР 7

2.1. ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕСЯ ПОНИЖЕНИЕМ 7

ТЕМПЕРАТУРЫ В АДИАБАТНЫХ УСЛОВИЯХ 7

2.2. ИЗМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПРИ СЖАТИИ

РЕАЛЬНОГО ГАЗА 9

2.3. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ 10

2.4. ПРОЦЕСС и = СОN8Т 15

2.5. РАВНОВЕСНОЕ АДИАБАТНОЕ РАСШИРЕНИЕ ГАЗА 16

2.6. ВЫХЛОП ИЛИ СВОБОДНЫЙ ВЬШУСК ГАЗА ИЗ БАЛЛОНА 20

ПРОЦЕСС ВПУСКА 20

2.7. ПРОЦЕССЫ В АДИАБАТНОЙ СИСТЕМЕ С ПЕРЕМЕННОЙ МАССОЙ 23

2.8. РАСШИРЕНИЕ ГАЗА В АДИАБАТНОЙ ВИХРЕВОЙ ТРУБЕ РАНКА—ХИЛША 25

2.9. ПРОЦЕССЫ ВОЛНОВОГО РАСШИРЕНИЯ ГАЗА 27

2.10. ОТКАЧКА ПАРОВ КИПЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ 30

2.11. ПРОЦЕССЫ ОХЛАЖДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ В ТВЕРДОМ

СОСТОЯНИИ 32

2.12. ПРОЦЕССЫ ОХЛАЖДЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ СВОЙСТВ 'НЕ

'НЕ 45

2.13. РАЗЛИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ОХЛАЖДЕНИЯ 50

3. ЦИКЛЫ КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК 55

3.1. ЦИКЛ С ОДНОКРАТНЫМ ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ 55

3.2. ПОТЕРИ ХОЛОДА В ЦИКЛАХ КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК 62

3.3. ЦИКЛ С ОДНОКРАТНЫМ ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ И 63

ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ 63

3.4. ДЕТАНДЕРНЫЕ ЦИКЛЫ 64

3.5. ДЕТАНДЕРНЫЙ ЦИКЛ СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ 65

3.6. ДЕТАНДЕРНЫЙ ЦИКЛ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ 67

3.7. ДЕТАНДЕРНЫЙ ЦИКЛ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ 68

3.8. ГАЗОВЫЕ КРИОГЕННЫЕ ЦИКЛЫ 69

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ 72

4.1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ СМЕСЕЙ 73

4.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ 76

4.3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ 79

ЛИТЕРАТУРА 83

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, металлурги-

ческой и других отраслях промышленности.

В настоящее время в значительных масштабах используются температуры жидкого водо-

рода (20,4 К). Всё большее значение приобретают температуры жидкого гелия ( 4,2 К) в прак-

тической радиотехнике, в радиоэлектронике.

Значительное количество воздухоразделительных и газоразделительных установок нахо-

дится 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, иг-

рая существенную роль в технике глубокого охлаждения, часто определяют конструктивное и

аппаратурное решение всей установки.

Курс лекций содержит изложение термодинамических основ криогенной техники, доста-

точно 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 про-

мышленному методу разделения смесей - ректификации. Изучение этого вопроса завершается

рассмотрением методов расчёта числа теоретических тарелок.

1. ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Открытие третьего начала термодинамики связано с нахождением химического сродства—

величины, характеризующей способность различных веществ химически реагировать друг с

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

дополнение к обоим началам термодинамики новые опытные данные о свойствах тел. По-

этому 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

К энтропия всякой равновесной системы при

изотермических процессах перестает зависеть от каких-либо термодинамических пара-

метров состояния и в пределе (Т -О К) принимает одну и ту же для всех систем универ-

сальную постоянную величину, которую можно принять равной нулю.

Общность этого утверждения состоит в том, что, во-первых, оно относится к любой равно-

весной системе и, во-вторых, что при Т->

К энтропия не зависит от значения любого пара-

метра системы. Таким образом, по третьему началу,

1Ш1[8(Т,Х2)-8(Т,Х,)]=0, (1.1)

Иш

т-»ок

=0, (1.2)

где X—любой термодинамический параметр.

Предельное значение энтропии, поскольку оно одно и то же для всех систем, не имеет ка-

кого-либо физического смысла и поэтому полагается равным нулю. Как показывает статисти-

ческое рассмотрение этого вопроса, энтропия, по своему существу, определена с точностью

до произвольной постоянной (подобно, например, электростатическому потенщ1алу 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 (8->0) при Т->0 К, согласно (1.1), означает, что изотермический

процесс Т=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, N0 и др.), для которых при

Т->

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 (несколь-

ко дней или недель), прежде чем придут в стабильные равновесные состояния. Когда измере-

ния были проведены с большими промежутками времени, то оказалось, что разность энтро-

пии Ш во всех случаях исчезает при Т->

К.

В настоящее время справедливость третьего начала обоснована для всех термодинамически

равновесных систем.

Из третьего начала непосредственно следует недостижимость температуры

К.

Действительно, охлаждение системы осуществляется повторением следующих друг за дру-

гом процессов адиабатного расщирения (при котором понижается температура) и изотермиче-

ского сжатия (при котором уменьщается энтропия). По третьему началу при изотермических

процессах, когда температура приближается к

К, энтропия перестает изменяться при сжа-

тии. Поэтому состояние с 8=0 за конечное число указанных процессов недостижимо, а следо-

вательно, недостижим и

К, так как согласно тому же началу состояние с Г =0 К совпадает с

состоянием 8=0. К температуре

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

К, и если можно достичь

К, то

разность значений энтропии при

К должна быть отлична от нуля. По этой причине третьим

началом термодинамики часто называют принцип недостижимости

К. Именно так сформу-

лировал это начало Нернст, который не любил понятия энтропии и не употреблял его. Однако,

формулировка третьего начала в виде закона о поведении энтропии при Т->

К более удобна,

так как непосредственно приводит к лаконичной математической записи, приведенной ранее.

Сказанное позволяет сформулировать следующее положение:

нельзя создать машину, способную отнять всю теплоту от тела, т. е. охладить его до аб-

солютного нуля.

СВОЙСТВА ТЕЛ ВБЛИЗИ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ

Изучение свойств вещества вблизи абсолютного нуля представляет большой интерес для

науки и техники.

Многие свойства вещества, завуалированные при комнатных температурах тепловыми яв-

лениями (например, тепловыми шумами), при понижении температуры начинают все более и

более проявляться, позволяя в чистом виде изучать закономерности и связи, присущие данно-

му веществу. Исследования в области низких температур позволили открыть много новых яв-

лений природы, таких, например, как сверхтекучесть гелия и сверхпроводимость металлов.

При низких температурах резко меняются свойства материалов. Одни металлы при низких

температурах повышают свою прочность, становятся пластичными, другие становятся хруп-

кими, как стекло.

Изучение физико-химических свойств при низких температурах позволит в будущем соз-

дать новые вещества с заранее заданными свойствами. Все это весьма ценно для конструиро-

вания и создания космических кораблей, станций и приборов.

Известно, что при радиолокационных исследованиях космических тел принимаемый ра-

диосигнал весьма мал и его трудно выделить из различных шумов. Созданные недавно уче-

ными молекулярные генераторы и усилители работают при весьма низких температурах и по-

этому обладают очень низким уровнем шума.

Низкотемпературные электрические и магнитные свойства металлов, полупроводников и

диэлектриков позволяют разработать принципиально новые радиотехнические устройства

микроскопических размеров.

Сверхнизкие температуры используются для создания вакуума, необходимого, например,

для работы гигантских ускорителей ядерных частиц.

2. МЕТОДЫ ДОСТИЖЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

2.1. ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕСЯ ПОНИЖЕНИЕМ

ТЕМПЕРАТУРЫ В АДИАБАТНЫХ УСЛОВИЯХ

Для непрерывного искусственного охлаждения реализуют разнообразные циклы крио-

генных установок. Любой цикл включает несколько процессов и, по крайней мере, один

из них должен сопровождаться эффектом понижения температуры в адиабатных условиях

или поглощения теплоты в изотермических условиях . Кроме этого, для организации цик-

лов необходимы другие процессы: сжатия газов и паров; охлаждения сжатого рабочего

тела и передачи теплоты сжатия в окружающую среду или какому-либо приемнику тепло-

ты; передачи теплоты от охлаждаемого тела к рабочему телу в цикл; процессы конденса-

ции, рекуперации холода и др. В результате процессов рекуперативного (или регенера-

тивного) теплообмена обеспечивается достижение заданной низкой температуры.

Для любого цикла криогенной установки, непрерывно вырабатывающей холод, является

принципиальным наличие в цикле процесса или совокупности процессов, обеспечиваю-

щих получение холода. Такие процессы назовем холодопроизводящими. Для низкотемпе-

ратурных циклов с потоком рабочего тела холодопроизводящими процессами являются

процессы внешнего взаимодействия (или энергетического разделения), в результате кото-

рых энтальпия потока рабочего тела (или его части) уменьшается. Без холодопроизводя-

щих процессов невозможно осуществить непрерывное получение холода. Для одноразо-

вого охлаждения достаточно использование любых процессов (эффектов), сопровождаю-

щихся необходимым понижением температуры и реализуемьк с запасами рабочих ве-

ществ .

Важно отметить, что процессы, сопровождающиеся понижением температуры, могут

не быть холодопроизводящими процессами в циклах установок. Уменьшение энтальпии

потока рабочего тела в цикле обеспечивают созданием условий для совершения потоком

работы и передачи ее во внешнюю среду либо условий для передачи теплоты (в общем

случае, энергии) от потока или его части внешним телам. При этом часть энергии рабоче-

го тела передается в окружающую среду и его энтальпия (или энтальпия его части)

уменьшается. К таким процессам относятся: процессы сжатия с одновременным или по-

следующим охлаждением рабочего тела (в определенной области параметров состояния);

процессы расширения газов с совершением внешней работы; волновые процессы расши-

рения; процессы охлаждения дополнительными внешними источниками холода; процессы

откачки паров; динамические процессы температурного расслоения, при которых проис-

ходит энергетическое разделение потока, и др. Именно эти процессы являются холодо-

производящими и обеспечивают генерацию холода в циклах. Холодопроизводительность

цикла равна суммарному изменению энтальпии во всех холодопроизводящих процессах.

Ответственность холодопроизводящих процессов за генерацию холода не умаляет зна-

чения других процессов цикла, в частности, сопровождающихся в адиабатных условиях

эффектом понижения температуры. Без них организация цикла также невозможна. Мно-

гие из этих процессов являются одновременно и холодопроизводящими, другие (напри-

мер, процессы дросселирования, растворения), не являясь холодопроизводящими, обе-

спечивают необходимое изменение температуры рабочего тела.

2.2. ИЗМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ПРИ СЖАТИИ РЕАЛЬНОГО ГАЗА

Сжатие газа — необходимый и важнейший процесс холодильного цикла при использо-

вании газообразных рабочих тел. Процессы сжатия реализуются в компрессорных маши-

нах и могут протекать по-разному в машинах различных типов, характеризоваться разной

степенью необратимости. Газ можно охлаждать одновременно со сжатием или сразу по-

сле компрессора в концевых холодильниках.

Принципиально важно сравнить состояния сжатого и несжатого газа при одинаковой

температуре (рис.2.1.).

Рис. 2.1. Сравнение энтальпий сжатого 1,, и несжатого 1,. реального газа при одинаковой темпе-

ратуре

Внутренняя энергия и энтальпия идеального газа не зависят от давления и при одина-

ковой температуре в состояниях Г и 1 одинаковы . Внутренняя энергия реального газа в

сжатом состоянии при одинаковой температуре всегда меньше. Физически это объясняет-

ся тем, что при сближении молекул потенциальная составляющая внутренней энергии

уменьшается.

Если внутренняя энергия реального газа при изотермическом сжатии всегда

уменьшается, то характер изменения энтальпии в разных областях состояний не одинаков:

11--1Г = (и1 —и1.) + Рт(1 -2Г/21) (2.1)

Разность Ц] — иг в выражении (2.1) всегда отрицательна, а знак второго слагаемого

определяется значениями коэффициентов сжимаемости г. В области состояний, где

2] < 21', энтальпия газа, как и внутренняя энергия, уменьшается при изотермическом сжа-

тии. В области состояний, где г\ > гг, второе слагаемое в выражении (2.1) положительно и

знак

Д1

определяется соотношением абсолютных значений слагаемых, т. е. в этой области

состояний энтальпия реального газа при изотермическом сжатии может и увеличиваться,

и уменьшаться.

Если энтальпия сжатого газа уменьшается , то: Д1 = 1] - 1г равна площади \'аЪ2; теп-

лота изотермического сжатия ^

сж

— площади Гас1, работа изотермического сжатия в от-

крытой системе

1 сж.о

- площади

'2ас1; я

сж

1 сж. о-

Если энтальпия сжатого газа увеличивается , то Л! =11-11' равна площади Г2Ьа;

Чсж

— площади Гас1;

1 сж. о

— площади Г2Ьс1;

^сж

1 «к. о.

Это позволяет считать, что в области состояний, где энтальпия уменьшается при изо-

термическом сжатии, компрессор в совокупности со своей системой охлаждения обеспе-

чивает создание холодопроизводительности в цикле, которая может быть реализована при

простом адиабатном расширении газа без совершения внешней работы (например, при

дросселировании). В этом случае холодопроизводительность равна разности энтальпий в

состояниях Г и 1.

2.3. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ

Адиабатное расширение газа в открытой системе в условиях стационарного течения

без совершения внешней работы и приращения скорости на контрольной поверхности на-

зывается дросселированием. Следует подчеркнуть, что стационарность течения пред-

полагает в первую очередь постоянство давлений до и после дросселирования, а условие

отсутствия приращения скорости течения на контрольной поверхности не исключает воз-

можности ее местного увеличения (или уменьшения) внутри системы, например, в самом

дроссельном устройстве.

Для практического осуществления этого процесса на пути газа устанавливают какое-

либо гидравлическое сопротивление: дроссельный вентиль, заслонку, калиброванное от-

верстие и пр.

Дж. Джоуль и У. Томсон исследовали этот процесс следующим образом . По медной

трубке медленно протекал установившийся поток газа (начальная температура Т]), про-