Криогенные установки, емкости с жидкими криоагентами, трубопроводы, криостатируемые объекты функционируют при температурах гораздо более низких, чем температура окружающей среды, поэтому необходимо обеспечить защиту их от теплопритоков извне. Поскольку наличие теплопритоков приводит к дополнительным затратам мощности, а также к необратимым потерям жидкого криопродукта при хранении, необходимо сводить их к минимуму. Так, для компенсации теплопритока из окружающей среды 1 Вт к криогенной системе, работающей при температуре жидкого гелия 4,2 К, необходима мощность 500 Вт.
Теплоприток 1 Вт к хранилищу жидкого гелия приводит к испарению за 1 час 1,4 литров гелия. В связи с этим к применяемой теплоизоляции предъявляют повышенные требования.
Для уменьшения теплопроводности теплоизоляции применяют изоляцию из материалов с дисперсной структурой, вакуумную теплоизоляцию, экранирование излучения.
Тепловую изоляцию, находящуюся под атмосферным давлением, применяют для систем, работающих при Т > 80К, главным образом для ВРУ эта теплоизоляция характеризуется низкой стоимостью, простотой эксплуатации, относительной невысокой эффективностью. В качестве теплоизолирующей среды применяют волоконные, порошкообразные и ячеистые материалы. Теплопроводность таких материалов составляет 0,02–0,05 Вт/(м×К).
Перенос теплоты в теплоизоляции данного типа осуществляется по твердому телу (зернам, волокнам, оболочкам ячеек), также в теплоизоляции такого типа имеет место конвективный перенос теплоты газом, заполняющим свободный объем.
Теплообмен излучением в такой теплоизоляции не учитывают, т.к. теплопритоки от излучения по сравнению с другими видами теплообмена, очень незначительны.
Данный тип теплоизоляции нельзя применять при температурах ниже
80 К, т.к. при таких температурах начинается конденсация атмосферного воздуха на теплообменной поверхности, что резко ухудшает её теплоизоляционные свойства.
Для более низких температур применяют различные виды вакуумной теплоизоляции. Основная идея применения вакуума для теплоизоляции заключается в том, что перенос теплоты вследствие теплопроводности и конвекции практически исключается. Существует три вида вакуумной теплоизоляции: высоковакуумная, вакуумно-порошковая, вакуумно-многослойная.
Вакуумную теплоизоляцию применяют главным образом в сосудах Дьюара.
В общем случае теплоту Q, передаваемую изоляцией любого вида, упрощенно представляют в следующем виде:
, (123)
где 
− теплота, переносимая по твердому скелету теплоизоляционного материала по тепловым мостам; 
− теплота, передаваемая вследствие теплопроводности и конвекции газа, заполняющего теплоизоляцию; 
− теплота, передаваемая излучением.
В вакуумной теплоизолирующей полости между двумя поверхностями с температурами T 0 и Тх создается вакуум около 10−4 Па.
Теплота , передаваемая по твердому телу, сохраняется только в местах соединения теплой и холодной поверхностей (по «тепловым мостам»). «Тепловые мосты» имеют особую конструкцию, их выполняют из материалов с низкой теплопроводностью, что сводит к минимуму .
Перенос теплоты газом определяется перемещением молекул газа, остающихся в изолированной полости даже при высоком вакууме. В разряженной среде механизм переноса теплоты иной, чем при высоком давлении, конвекция и теплопроводность в обычном понимании этого термина отсутствуют.
Для вакуумных полостей, в которых находятся молекулы воздуха при давлениях ниже р < 10−2 Па, конвективный перенос тепла составит:
. (124)
Перенос теплоты излучением вносит основной вклад в теплоприток. Эта составляющая определяется переносом энергии от теплой к холодной поверхности электромагнитным излучением в инфракрасной области спектра.
Излучательная способность поверхности характеризуется степенью черноты, которая находится по формуле:
, (125)
где 
и 
− плотности потока излучения данной и абсолютно черной поверхности.
Плотность потока излучения абсолютно черной поверхности определяется по формуле:
, (126)
где 
= 5,7∙10−8 Вт/м2К4 − постоянная излучения абсолютно черного тела.
Значения 
зависят от температуры и состояния поверхности материала.
Поток излучения между замкнутыми поверхностями с температурами 
и 
определяют по формуле Стефана-Больцмана:
, (127)
где 
− приведенный коэффициент черноты.
Лучистый поток можно значительно снизить путем установки экранов между поверхностями 
и 
.
Для свободно установленных экранов при одинаковом коэффициенте черноты граничных поверхностей и экранов и при условии 
суммарный приведенный коэффициент черноты рассчитывается следующим образом:
, (128)
где n − количество экранов.
Принципы такого рода экранирования излучения реализован в самом эффективном виде теплоизоляции – вакуумно-многослойной теплоизоляции. Вакуумно-многослойная теплоизоляция состоит из большого числа слоев с низкой излучательной способностью, которые служат экранами, отражающими тепловое излучение. Эти экраны разделены теплоизоляционными прокладками. В качестве экранов применяют алюминиевую фольгу и стеклоткань. В теплоизолирующем пространстве поддерживается р = 10−3 – 10−4 Па.
Эффективная теплопроводность через такую стенку может составлять 
= 0,03 ¸ 0,04 мВт/(м×К).
Вакуумно-порошковая теплоизоляция широко применяется в криогенной технике и характеризуется высокой эффективностью. В порошковых материалах при атмосферном давлении около 90% теплоты переносится газом. Помещение порошков в вакуумированную полость резко снижает их теплопроводность.
Наряду с порошками в вакууме можно применять волоконные материалы (стекловату, минвату).
Применение вакуумно-порошковой изоляции эффективно по следующим причинам: этой изоляцией можно заполнить полости сложной геометрической формы; изоляция под вакуумом исключает возможность ее увлажнения, что обеспечивает стабильность теплопроводности; такая изоляция недорогая, не требует высокого вакуума.
Основной механизм переноса теплоты вакуумированных изоляционных порошках − излучение, которое ослабляется в порошках посредством поглощения и рассеяния его частицами изоляционного материала.
С целью уменьшения теплопереноса излучением к изоляционным порошкам добавляют металлические порошки, обеспечивающие многократное экранирование. λ такой теплоизоляции может составлять до 0,3 мВт/(м·К).
Контрольные вопросы и задания:
1. Назовите особенности теплообмена в криогенных системах.
2. Назовите принципы классификации теплообменных аппаратов криогенных систем.
3. В чем отличие рекуперативных теплообменников от регенеративных?
4. Чем обусловлено преимущественное применение теплообменников регенеративного типа в воздухоразделительных установках?
5. Какими критериями характеризуется эффективность криогенных теплообменников?
6. Что характеризует NTU?
7. Какие виды теплоизоляции используют в криогенных системах?
8. Почему теплоизоляцию, находящуюся под атмосферным давлением, нельзя использовать при температурах ниже минус 80 K?
9. За счет чего осуществляется механизм переноса теплоты в высоковакуумной теплоизоляции?
10. Какими способами уменьшают теплопритоки от излучения в вакуумированых полостях?
11. Что такое вакуумная порошковая изоляция?
12. Что такое вакуумная многослойная теплоизоляция?
Библиографический список
1. Криогенные системы. Основы теории и расчета: Учебник для студентов вузов по специальности «Криогенная техника» / А.М. Архаров, И.В. Марфенина, Е.И. Микулин. − 2−е изд. перераб. и доп. − М.: Машиностроение, 1988.
2. Криогенные системы: Основы проектирования аппаратов установок: Учебник для вузов по курсу «Криогенная техника» / А.М. Ар−харов, В.П. Беляков, Е.И. Микулин. − М.: Машиностроение, 1987. − 536 с.
3. Установки, машины и аппараты криогенной техники: Атлас. Ч.1. − М.: Пищевая промышленность, 1976.
4. Новотельнов В.Н., Суслов А.Д., Полтараус В.Б. Криогенные машины: Учебник для вузов по спец. «Техника и физика низких температур». − Спб.:Политехника, 1991. − 335 с.
5. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода. − Изд. 5−е. − М.: Химия, 1972. − 752 с.
Приложение
Основные свойства газов и криогенных жидкостей
| Параметр, свойство | Обозначение | Единица | Значение для | ||||||
| Хе | Кг | СН4 | О2 | Ar | F2 | воздух | |||
| Температура: кипения1 плавления1 (приближенно) критической точки тройной точки | T кип | K | 165,05 | 119,78 | 111,7 | 90,188 | 87,29 | 84,95 | »78,8 |
| T пл | 161,39 | 115,79 | 90,7 | 54,4 | 83,85 | 53,5 | |||
| Tk | 289,74 | 209,39 | 191,06 | 154,78 | 150,72 | 144,31 | »133 | ||
| Ta | 161,35 | 115,76 | 90,66 | 54,361 | 83,81 | 53,481 | |||
| Давление: критической точки тройной точки |
pk ра | МПа Па | 5,84 | 5,51 | 4,64 | 5,107 | 4,864 | 5,215 | 3,769 |
| 81600 | 73190 | 11667,66 | 152 | 68 | 920 | 252 | |||
| Плотность: льда (приближенно) насыщенной жидкости насыщенного пара1 газа 1 при Т = 293 К | r тв | кг/м3
| 3423 | 2794 | 500 | 1400 | 1624 | 1907 | – |
| r ж | 2941 | 2413 | 424,5 | 1142 | 1400 | 1510 | »873 | ||
| r п | 10,0 | 8,803 | 1,8 | 4,8 | 5,7 | 5,63 | 4,48 | ||
| r г | 5,49 | 3,40 | 0,6679 | 1,331 | 1,66 | 1,58 | 1,205 | ||
| Теплота: испарения1 плавления (приближенно) |
r и r пл | Дж/г | 95,7 | 107,6 | 509,54 | 212,76 | 163,02 | 175,5 | 205,5 |
| 17,26 | 22,6 | 58,6 | 13,95 | 29,55 | 13,4 | – | |||
| Удельная теплоемкость: насыщенной жидкости1 | ср cv | Дж/(г×К) | 0,349 0,16 | 0,545 — | 3,45 — | 1,6961 0,925¯ | 1,14 0,575 | 1,5 0,803 | » l,96 — |
| насыщенного пара1 | ср cv | 0 168 — | 0,263 — | 2,09 »1,55 | 0,964 0,666 | 0,53 — | 0,812 0,561 | »1,02 — | |
| газа1 при Т = 293 К | ср cv | 0,16 0,096 | 0,25 0,147 | 2,22 1,69 | 0,922 0,658¯ | 0,523 0,312 | 0,824 0,604¯ | 1,01 0,72 | |
| Динамическая вязкость: насыщенной жидкости1 насыщенного пара1 газа1при Т = 293 К | m¯ | мкПа×с | 450 | 372 | 102,8 | 196 | 240 | »265 | 178 |
| m | 13,3 | 10,8 | 4,49 | 6,85 | »7 | 7,5 | »5,6 | ||
| m¯ | 23,0 | 25,0 | 11 | 20,7 | »23 | »23,5 | »18 | ||
| Теплопроводность: насыщенной жидкости1 насыщенного пара1 газа1при Т = 293 К | l¯ | Вт/(м×К) | 0,0706 | 0,09 | »0,2 | 0,1515 | »0,12 | »0,15 | 0,146 |
| l | 0,00315 | 0,00404 | »0,012 | 0,00855 | »0,0057 | »0,007 | »0,0073 | ||
| l¯ | 0,00547 | 0,00931 | »0,0329 | 0,0262 | 0,0167 | »0,024 | 0,0255 | ||
| Скорость звука1: в насыщенной жидкости в насыщенном паре | а ¯ |
м/с | 645,2 | 684,3 | 1430 | 900 | 819 | 854 | – |
| а ¯ | – | – | »270 | 175 | – | 158 | 177 | ||
| Количество жидкости1, испаряющейся в сутки при теплопритоке 1 Вт | – | л | 0,307 | 0,33 | 0,48 | 0,33 | 0,4 | 0,36 | 0,38 |
1 Свойства при давлении 0,101325 МПа.
Окончание прил.
| Параметр, свойство | Обозначение | Единица | Значение для | ||||||
| N2 | Ne | H2 (н)** | H2 (р)** | 4He | 3He | H2O | |||
| Температура: кипения1 плавления1 (приближенно) критической точки тройной точки | T кип |
K | 77,36 | 27,108 | 20,39 (н) | 20,28 (р) | 4,224 | 3,191 | 373,15 |
| T пл | 63,2 | 24,6 | 13,96 | 13,96 | – | – | 273,15 | ||
| Tk | 126,6 | 44,45 | 33,24 (н) | 32,9 (р) | 5,2014 | 3,324 | 647,31 | ||
| Ta | 63,15 | 24,56 | 13,95 (н) | 13,81 (р) | – | – | 273,16 | ||
| Давление: критической точки тройной точки | pk | МПа | 3,398 | 2,721 | 1,297 (н) | 1,287 (р) | 0,2275 | 0,1165 | 23,62 |
| ра | Па | 1235,7 | 43307,5 | 7200,6 (н) | 7040,6 (р) | — | — | 611,2 | |
| Плотность: льда (приближенно) насыщенной жидкости насыщенного пара1 газа1 при Т = 293 К | r тв |
кг/м3 | 947 | 1400 | 86,7 | 190 | 143 | 900 | |
| r ж ¯ | 808 | 1204 | »70,8 | 125 | 60 | 958 | |||
| r п | 4,61 | 4,8 | 1,34 | »15,5 | »22 | 0,5975 | |||
| r г | 1,165 | 0,8385 | 0,08374 | 0,1663 | 0,124 | – | |||
| Теплота: испарения1 плавления (приближенно) | r и ¯ | Дж/г | 199 | 85,7 | 447 | 20,8(»22*) | 8,5 | 2257,2 | |
| r пл | 25,8 | 16,62 | 58,7 | 5,7 | 3,3 | 333 | |||
| Удельная теплоемкость: насыщенной жидкости1
| ср | Дж/(г×К) | 2,05 | 1,82 | 9,7 (п) | 5,0 | 4,6 | 4,22 | |
| cv | — | 1,2¯ | 5,75 (п) | 2,37 | »3,73 | ||||
| насыщенного пара1
| ср | 1,03 | 1,17 | 12,1 (п) | 8,25 | 2,038 | |||
| cv | — | 0,652 | 6,5 (п) | 3,28¯ | »1,52 | ||||
| газа1 при Т = 293 К
| ср | 1,046 | 1,039 | 14,85(п) | 5,2¯ | 6,89 | – | ||
| cv | 0,745 | 0,62 | 10,7¯(п) | 3,15¯ | 4,135 | – | |||
| Динамическая вязкость: насыщенной жидкости1 насыщенного пара1 газа1при Т = 293 К | m¯ | мкПа×с | 152 | »124 | 13,2 (п) | 3,6 | 1,9 | »317,2 | |
| m | 5 | »4,5 | 1,13 (п) | 1,25 | »1,2 | 12,1 | |||
| m¯ | 17,8 | »32 | 8,15 (п) | 18,9 | »16,3 | — | |||
| Теплопроводность: насыщенной жидкости1 насыщенного пара1 газа1при Т = 293 К | l¯ | Вт/(м×К) | 0,14 | »0,13 | 0,0988 (н) | 0,0197 | »0,0145 | »0,675 | |
| l | »0,007 | »0,008 | 0,0169 (н) | 0,0106 | »0,0125 | 0,024 | |||
| l¯ | 0,025 | 0,049 | 0,176 (н) | 1,465 | — | — | |||
| Скорость звука1: в насыщенной жидкости в насыщенном паре | а ¯ |
м/с | 880 | – | 1090 (н) | 172 | 180 | 1450 | |
| а ¯ | 177 | 135 | 355 (н) | 100 | |||||
| Количество жидкости1, испаряющейся в сутки при теплопритоке 1 Вт | – | л | 0,54 | 0,84 | 2,73 (п) | 33,2 | 170 | ||
__________
**(н) − нормальный водород, (р) − равновесный водород; (п) − пароводород.
1 Свойства при давлении 0,101325 МПа.
Примечание. ¯ − общая тенденция к уменьшению при увеличении давления; − общая тенденция к увеличению при уменьшении давления; ¯ − слабая зависимость от давления.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие………………………………………………………………….3
Введение……………………………………………………………………...4
1. Базовые термодинамические понятия и законы. Применение
первого и второго закона термодинамики.……………………..…….5
1.1. Принцип сохранения массы, материальный баланс……….......5
1.2. Принцип сохранения энергии. Энергетический баланс……….6
1.3. Принцип возрастания энтропии. Уравнение энтропийного
баланса. Необратимость и затрата работы……………..............7
1.4. Принцип недостижимости абсолютного нуля
термодинамической температуры……………………...…….......8
2. Термодинамические диаграммы и процессы криогенных
систем……………………………………………………………………..10
2.1. Равновесные состояния и фазовые переходы чистых веществ………...10
2.2. Рабочие диаграммы криогенных систем…………………........13
2.3. Равновесные состояния и фазовые переходы бинарных
систем……………………………………..………………………….16
3. Основные процессы для получения низких температур…………..20
3.1. Процессы внешнего и внутреннего охлаждения………………20
3.2. Сжатие реальных газов в обратных термодинамических
циклах………………………………………………………………..22
4. Процессы, сопровождающиеся понижением температуры………..26
4.1. Дросселирование газов, паров и жидкостей…………………...26
4.2. Равновесное адиабатное расширение газа в детандере………28
5. Идеальные циклы криогенных систем……………………………….31
5.1. Криогенное термостатирование………………………………….31
5.2. Криогенное охлаждение…………………………………………..33
5.3. Криогенная конденсация и кристаллизация……………………35
5.4. Ожижение криогенных газов……………………………………..35
5.5. Разделение газовых смесей……………………………………….37
6. Реальные циклы криогенных систем…………………………………41
6.1. Классификация криогенных циклов…………………………….41
6.2. Основные характеристики реальных циклов
низкотемпературных систем……………………………………...43
6.3. Энергетический баланс отдельных ступеней охлаждения…..47
6.4. Ступени охлаждения криогенных систем………………………49
6.4.1. Ступень внешнего охлаждения………………………………..49
6.4.2. Ступень с расширением потока в детандере……….………..51
6.4.3. Ступень с расширением потока в дроссельном
устройстве…………………………………………………..…...52
7. Основные циклы низкотемпературных установок…………………55
7.1. Дроссельные циклы ожижения…………………………………..55
7.1.1. Цикл с простым дросселированием………………………......55
7.1.2. Цикл с предварительным охлаждением и дросселирова
нием……………………………………………………………….59
7.1.3. Цикл с двойным дросселированием и циркуляцией
части потока……………………………………………………...62
7.1.4. Цикл с двойным дросселированием и предварительным
охлаждением……………………..…………………..………….64
7.2. Комбинированные циклы с дросселированием и
расширением рабочего вещества в детандерах………………..66
7.2.1. Циклы среднего и высокого давления………………………..66
7.2.2. Цикл низкого давления с турбодетандером………………....70
7.2.3. Цикл с расширением в детандере, дросселированием
и предварительным охлаждением…………………………….72
8. Газовые холодильные машины………………………………………..76
9. Разделение газовых смесей…………………………………………….80
9.1 Равновесные составы фаз идеальной системы…………………81
9.2. Процесс ректификации бинарной смеси…………………….....82
9.3. Ректификационная колонна……………………………………....84
9.4. Колонна однократной ректификации……………….…………..86
9.5. Двукратная ректификация………………………………………..88
10. Теплообменные аппараты криогенных установок……………......90
10.1. Особенности теплообменника в криогенных
системах………...................................................................90
10.2. Теплообменные аппараты, их классификация и виды
теплообменных поверхностей…………………………….........91
10.3. Эффективность теплообменников……………………………..92
10.4. Теплоизоляция криогенных систем…………………………....95
Библиографический список……………………………………………..100
Приложение………………………………………………………….........101
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Короткий Игорь Алексеевич
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ КРИОЛОГИИ
Учебное пособие
Для студентов вузов
Оригинал−макет изготовлен в редакционно−издательском отделе
Кемеровского технологического института пищевой промышленности
650056, г. Кемерово, б−р Строителей, 47
ПЛД № 44−99 от 10.10.99
Отпечатано в лаборатории множительной техники
Кемеровского технологического института пищевой промышленности
650010, г. Кемерово, ул. Красноармейская, 52
