- •Агапитов е.Б.
- •§2. Общий принцип охлаждения.
- •§3. Классификация трансформаторов теплоты.
- •§4. Тепловые трансформаторы с циклическими процессами.
- •§5. Применение каскадных и регенеративных циклов.
- •§6. Эксергетический метод анализа процесса трансформации тепла
- •§7. Работа идеального парожидкостного теплового трансформатора. Основные термодинамические характеристики.
- •§8. Хладоагенты, криоагенты и их свойства.
- •§9. Процесс дросселирования.
- •§10. Идеальный процесс охлаждения, ожижения и замораживания газа.
- •§11. Ожижители с дроссельной системой
- •§ 12. Недорекуперация. Изотермический дроссель-эффект. Энергетический баланс криоблока.
- •§13. Ожижительные циклы Гейландта, Клода, Капицы.
- •§14. Цикл Гейландта. Т-s – диаграмма.
- •§15. Цикл Капицы. Т-s-диаграмма.
- •§16. Термодинамические основы процесса разделения бинарной смеси.
- •§17. Фазовый переход бинарный смеси в т-X-y-диаграмме.
- •§18. Простая перегонка.
- •§19. Воздух и продукты его разделения.
- •§20. Классификация перспективы развития вру.
- •§21. Процесс дефлегмации.
- •§22. Процесс ректификации.
- •§23. Регулировка производительности вру.
- •§24. Резервирование газообразного кислорода под давлением и дополнительно жидкого кислорода.
- •§25. Схема весов.
- •§26. Получение инертных газов из воздуха
- •§27. Абсорбционные термотрансформаторы
- •§29. Схема идеального абсорбционного
- •§30. Схема идеальной абсорбционной теплонасосной установки (расщепительная схема)
- •§31. Схема реальной одноступенчатой абсорбционной холодильной установки
- •§32. Бромисто-литиевая холодильная установка
- •§33. Абсорбционная установка периодического действия
- •4. Классификация вру. Воздухоразделительные установки низкого давления
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 tн, который называетсятеплоотдатчик, к объекту с относительно высокой tв, 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 Qв.
Qв= Q0+ Lзатрат
Трансформатор теплоты– установка, в которой осуществляется перенос энергии от источника с относительно низкой температурой tнк источнику с относительно высокой температурой tвс 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 tн> 147K
- криогенные установки tн≤ 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 (S1S2).
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.