Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Кафедра Теплотехнических и энергетических систем

Агапитов е.Б.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу

«Криогенные системы промышленных предприятий»

Магнитогорск

2012

§1. Основные понятия и определения. Задачи курса.

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

Эти установки 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 t_н, который называетсятеплоотдатчик, к объекту с относительно высокой t_в, который называетсятеплоприемник.

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

В ходе такого процесса энергия теплоприемника увеличивается на величину Q_в.

Q_в= Q₀+ L_затрат

Трансформатор теплоты– установка, в которой осуществляется перенос энергии от источника с относительно низкой температурой t_нк источнику с относительно высокой температурой t_вс помощью рабочего тела – хладоагента и затратами работы.

Процесс отвода теплоты Q₀эквивалентен 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 рефрижератором ( класс R).

Такие теплотрансформаторы делятся на:

- холодильные установки t_н> 147K

- криогенные установки t_н≤ 147К

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

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

§2. Общий принцип охлаждения.

Чем меньше энтропиясистемы, 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 т.1 в т.2 необходимо, чтобы система пришла в соприкосновение с объектом с температурой t < t₂. Такой способ охлаждения называется естественным иливнешним.

Получить температуру системы на уровне т.2 можно и другим путем – для этого нужно взять промежуточную газообразную среду и провести изотермическое сжатие по линии 1-3 с повышением давления до Р₂.

В этом процессе необходимо отводить тепло, энтропия при этом уменьшается (S₁S₂).

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

В целом, для осуществления процесса 1-3-2 также понадобился холодный объект, но отвод тепла к нему осуществлялся на более высоком температурном уровне Т₁.

Такой способ охлаждения называется искусственнымиливнутренним.

Повторив этот цикл в этом же диапазоне давлений (Р₁-Р₂), можно получить температуру t₅значительно более низкую, чем t₂.

Общий принцип внутреннего охлажденияможно сформулировать так: если температура t термодинамической системы зависит от энтропии Sи некоторого параметрах, t = f(S; х), то необходимо:

- первоначально изменить параметр х в изотермических условиях с уменьшением S;

- затем произвести обратное изменение этого параметра х в адиабатических условиях при S= const.

Если в качестве х выступает давление системы, то такие системы называются термомеханическими;

- если в качестве х выступает напряженность магнитного поля Н, то это - магнитокаллорическиесистемы;

- если в качестве х выступает напряженность электрического поля Е, то это - электрокаллорические системы.

Преимуществаискусственного охлаждения:

- можно охладить систему до температуры близкой к абсолютному 0;

- процесс охлаждения может быть непрерывным. 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 различных направлениях.

Металлургия.Продукты разделения воздуха, в основном - кислород, используется в конверторной, мартеновской плавке, доменном производстве и как интенсификатор процесса горения.

Азот и аргон используются в технологиях рафинирования (очистки), стали для создания инертных сред в процессах термообработки металла (колпаковых, протяжных печах), в технологиях резки и сварки.

Машиностроение.Проводится обработка стали холодом для увеличения её твердости и изностойкости;

Химическаяпромышленность. Холод используется в технологиях осушки газов, конденсации паров, разделении сложных смесей и растворов, регулировании скорости химических реакций, хранении продуктов химических производств при криогенных температурах.

Газоваяпромышленность. В технологии разделения газовых смесей (например, получении Не), хранении и транспорте охлажденных продуктов, ожижении природного газа.

Авиация и космонавтика. Получение О₂и Н₂и использовании этих продуктов для жидкостных реактивных двигателей.

Энергетика. Создание линий электропередач с использованием эффекта сверхпроводимости.

Радиотехника и электроника.Поддержание температуры элементов аппаратуры при низких температурах для обеспечения стабильных характеристик.

Пищевая промышленность.Криогенные установки применяются для сверхбыстрой заморозки, холодильные установки - для хранения пищевых продуктов.

Медицина.Появилось новое направление – криомедицина и в частности криохирургия.