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: