- •И.А. Короткий Научные основы криологии
- •Кемерово 2005
- •Предисловие
- •Введение
- •1. Базовые термодинамические понятия и законы. Применение первого и второго закона термодинамики
- •1.1. Принцип сохранения массы, материальный баланс
- •1.2. Принцип сохранения энергии. Энергетический баланс
- •1.3. Принцип возрастания энтропии. Уравнение энтропийного баланса. Необратимость и затрата работы
- •1.4. Принцип недостижимости абсолютного нуля термодинамической температуры
- •Контрольные вопросы:
- •2. Термодинамические диаграммы и процессы криогенных систем
- •2.1. Равновесные состояния и фазовые переходы чистых веществ
- •2.2. Рабочие диаграммы криогенных систем
- •2.3. Равновесные состояния и фазовые переходы бинарных систем
- •Контрольные вопросы и задания:
- •3. Основные процессы для получения низких температур
- •3.1. Процессы внешнего и внутреннего охлаждения
- •3.2. Сжатие реальных газов в обратных термодинамических циклах
- •Контрольные вопросы и задания:
- •4. Процессы, сопровождающиеся понижением температуры
- •4.1. Дросселирование газов, паров и жидкостей
- •4.2. Равновесное адиабатное расширение газа в детандере
- •Контрольные вопросы и задания:
- •5. Идеальные циклы криогенных систем
- •5.1. Криогенное термостатирование
- •5.2. Криогенное охлаждение
- •5.3. Криогенная конденсация и кристаллизация
- •5.4. Ожижение криогенных газов
- •5.5. Разделение газовых смесей
- •Контрольные вопросы и задания:
- •6. Реальные циклы криогенных систем
- •6.1. Классификация криогенных циклов
- •6.2. Основные характеристики реальных циклов низкотемпературных систем
- •6.3. Энергетический баланс отдельных ступеней охлаждения
- •6.4. Ступени охлаждения криогенных систем
- •6.4.1. Ступень внешнего охлаждения
- •6.4.2. Ступень с расширением потока в детандере
- •6.4.3. Ступень с расширением потока в дроссельном устройстве
- •Контрольные вопросы и задания:
- •7. Основные циклы низкотемпературных установок
- •7.1. Дроссельные циклы ожижения
- •7.1.1. Цикл с простым дросселированием
- •7.1.2. Цикл с предварительным охлаждением и дросселированием
- •7.1.3. Цикл с двойным дросселированием и циркуляцией части потока
- •7.1.4. Цикл с двойным дросселированием и предварительным охлаждением
- •7.2. Комбинированные циклы с дросселированием и расширением рабочего вещества в детандерах
- •7.2.1. Циклы среднего и высокого давления
- •7.2.2. Цикл низкого давления с турбодетандером
- •7.2.3. Цикл с расширением в детандере, дросселированием и предварительным охлаждением
- •Контрольные вопросы и задания:
- •8. Газовые холодильные машины
- •Контрольные вопросы и задания:
- •9. Разделение газовых смесей
- •9.1. Равновесные составы фаз идеальной системы
- •9.2. Процесс ректификации бинарной смеси
- •9.3. Ректификационная колонна
- •9.4. Колонна однократной ректификации
- •9.5. Двукратная ректификация
- •Контрольные вопросы и задания:
- •10. Теплообменные аппараты криогенных установок
- •10.1. Особенности теплообменника в криогенных системах
- •10.2. Теплообменные аппараты, их классификация и виды теплообменных поверхностей
- •10.3. Эффективность теплообменников
- •10.4. Теплоизоляция криогенных систем
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Научные основы криологии
- •650056, Г. Кемерово, б-р Строителей, 47
- •650010, Г. Кемерово, ул. Красноармейская, 52
Федеральное агентство по образованию
Кемеровский технологический институт
пищевой промышленности
И.А. Короткий Научные основы криологии
Учебное пособие
Для студентов вузов
Кемерово 2005
УДК 621.51/.59(075)
ББК 32.855я7
К68
Рецензенты:
Л.Л. Моисеев, д-р техн. наук, профессор кафедры
стационарных и транспортных машин
Кузбасского государственного технического университета;
Е.И. Харлампенков, канд. техн. наук, доцент кафедры
«Коммерция и маркетинг» Кемеровского института (филиала)
Российского государственного торгово-экономического университета
Рекомендовано редакционно-издательским советом
Кемеровского технологического института
пищевой промышленности
Короткий И.А.
К68 Научные основы криологии : учебное пособие / И.А. Короткий; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2005. - 104 с.
ISBN 5-89289-379-0
Приведены основы теории криогенной техники, методы расчета и анализа криогенных циклов, даны их энергетические характеристики, рассмотрены методы разделения газовых смесей, процессы ректификации, особенности теплообмена при температурах криогенного уровня, а также основные термины и определения.
Содержит контрольные вопросы для проверки качества усвоения теоретического материала.
Предназначено для студентов специальности 140504 «Холодильные, криогенные установки и кондиционирование» всех форм обучения.
УДК 621.51/.59(075)
ББК 32.855я7
ISBN 5-89289-379-0
Зав. редакцией И.Н. Журина
Редактор Н.В. Шишкина
Технический редактор Т.В. Васильева
Художественный редактор Л.П. Токарева
ЛР № 020524 от 02.06.97
Подписано в печать 30.12.05. Формат 60х841/16
Бумага типографская. Гарнитура Times
Уч.-изд.л. 6,5. Тираж 400 экз.
Заказ № 165
© КемТИПП, 2005
© И.А. Короткий, 2005
Предисловие
Целью преподавания курса «Научные основы криологии» является изучение студентами теоретических основ криогенной техники, рабочих процессов и термодинамических циклов, осуществление которых необходимо для достижения температур криогенного уровня, поддержания температур криогенного уровня и проведения технологических процессов с веществами и материалами, находящимися при криогенных температурах.
В результате изучения и усвоения дисциплины «Научные основы криологии» студент должен знать:
базовые законы и понятия техники низких и сверхнизких температур;
термодинамические процессы, осуществление которых позволяет получать низкие температуры заданного уровня;
основные термодинамические циклы, предназначенные для получения низких и сверхнизких температур, проведения технологических процессов на заданном температурном уровне; а также области рационального применения различных термодинамических циклов.
Студент должен уметь:
подобрать термодинамический цикл для получения температур криогенного уровня;
произвести термодинамический расчет криогенного цикла;
произвести технико-экономический анализ с целью выбора оптимального варианта криогенного цикла для конкретных условий его работы.
Введение
Под криогеникой понимают области холодильной техники и технологии, которые связаны с получением и использованием температур ниже 120 К. Таким образом, криогенная техника - это техника создания и применения наиболее низких температур, которые в естественных условиях Земли и околоземного пространства не наблюдаются.
Исключительно важное промышленное и научное значение криогеники объясняется следующим.
Во-первых, все больше увеличивается применение многими отраслями промышленности различных, так называемых промышленных газов: кислорода, азота, метана, аргона, водорода, гелия, неона, криптона и некоторых других. Эти газы, используемые как в жидком, так и в газообразном состоянии, имеют низкие температуры кипения, лежащие в области криогенных. Поэтому технология их получения, применения, транспортирования, хранения органически связана с криогеникой и составляет ее обширную область.
Во-вторых, при низких температурах уменьшается электрическое сопротивление и обнаруживаются такие свойства материи, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. В настоящее время начинают широко использовать охлаждение до очень низких температур обмоток электрических машин и аппаратов и сверхпроводников в энергетике, приборостроении, на транспорте.
Третий фактор, объясняющий важнейшую роль криогеники, заключается в уменьшении энтропии при снижении температуры, т.е. в уменьшении внутренних «шумов», что обусловливает возможности практического использования этих явлении для дальней космической радиосвязи, в инфракрасной и лазерной технике. Кроме того, воздействие низких температур обнаруживает новые важные свойства на живые ткани и биоматериалы и открывает большие возможности для дальнейшего развития биологии, медицины и сельскохозяйственного производства.
Таким образом, криогенная техника, криофизика, криоэлектро-ника, криобиология и криомедицина - важнейшие составные части науки о холоде и его применении. Эта наука называется криологией.