Некоторые основные термодинамические понятия низкотемпературной техники

Важнейшее место в низкотемпературной технике занимают два термодинамических понятия − «охлаждение» и «холод», а также их производные.

а) ПОНЯТИЕ «ОХЛАЖДЕНИЕ»

Формулирование общего определения понятия «охлаждение» связа­но с определенными трудностями. Дело в том, что это понятие включает два различных вида процессов [7]:

1. Процессы изменения состояния какого-либо объекта или вещества при отводе от него тепла Q (или, что тоже самое, подводе холода) − так называемое внешнее охлаждение.

2. Процессы понижения или поддержания низкой температуры како­го-либо вещества или объекта, не связанные с отводом от него тепла (или подводом холода) извне, − так называемое внутреннее охлаждение.

Охлаждение при Т> T _о._с.,которое может происходить самопроиз­вольно, естественно, не представляет интереса для низкотемпературной техники, поэтому в дальнейшем рассматривается лишь случай, когда T < T _о._с.

Для проведения внешнего охлаждения необходимы внешняя систе­ма, в которой создается температура более низкая, чем у объекта охлаж­дения, и теплообмен между ней и объектом охлаждения. Внешнее охлаждение может происходить при любом изменении параметров охлаждаемой системы; только энтропия ее (если система изолирована от окружающей среды или других источников тепла так, что теплоприток меньше отвода) будет уменьшаться.

Таким образом, любой процесс, идущий из точки а на рис. 0-1, а влево от изоэнтропы, может быть назван процессом внешнего охлаждения (в том числе и процессы, где температура растет²).

¹ За исключением того случая, когда T _о._с. очень низка (например, в космическом пространстве, используя низкую температуру равновесного излучения, можно путем самопроизвольного охлаждения получить криотемпературы) [6].

² Примером может служить сжатие рабочего тела при T < T _о._с. в охлаждаемом компрессоре или насосе.

В низкотемпературной технике, естественно, нельзя добиться полной тепловой изоляции охлаждаемого объекта; при этом количество поступающего к нему тепла должно быть меньше отводимого системой, производящей холод. Однако часто встречается предельный случай, когда количества подводимого и отводимого тепла равны. При этом энтропия объекта не меняется (s -const). Такой процесс поддержания объекта в стационарном (на практике − в пределах определенного допуска) тепловом состоянии в общем случае называется термостатированием, а в области криогенных температур − криостатированием. Следовательно, криостатирование − это частный случай внешнего охлаждения при s -const и T -const.

Процесс внутреннего охлаждения соответствует изменениям состояния (рис. 0-1,б), проходящим с понижением температуры данного ве­щества (и без уменьшения энтропии), в том числе процессам s -const и i -const. Их протекание всегда связано с уменьшением некоторой ин­тенсивной термодинамической величины − давления р,напряженности магнитного поля H и т. д. Наиболее часто для внутреннего охлаждения используется понижение давления р. Внутреннее охлаждение занимает особое место в низкотемпературной (в частности, криогенной) технике: на его использовании основаны все без исключения низкотемпературные системы. Подробно внутреннее охлаждение анализируется в гл. 4.

Поскольку наинизшая температура Т ₀в любой криогенной системе (температура окончательного охлаждения) может быть достигнута только посредством внутреннего охлаждения, любая криогенная система должна в том или ином виде содержать элементы, в которых происходит внутреннее охлаждение.

Внешнее и внутреннее охлаждение в принципе могут производиться и одновременно. В этом случае линии, характеризующие такой «совмест­ный» процесс охлаждения, будут в Т, s -координатах занимать зону, на­ходящуюся между линией p -const и s -const на рис. 0-1, а. Раздельно ни внешнее, ни внутреннее охлаждение в этой зоне невозможны.

Рис. 0-1. Процессы охлаждения на Т, s -диаграмме. 2 − внешнее охлаждение; б − внутреннее.

Процесс охлаждения может вестись как в стационарных (когда па­раметры рабочего тела в каждой точке системы имеют определенные зна­чения, не меняющиеся во времени), так и в нестационарных условиях (когда параметры изменяются во времени в данной точке системы).

Циклическое изменение параметров (когда они меняются по определенному закону, возвращаясь через равные промежутки времени к одному и тому же состоянию) характерно для так называемых систем с нестационарными потоками. Нециклическое изменение параметров, связанное с понижением температуры или энтальпии как рабочего тела, так и элементов конструкции во времени, характеризует обычно процесс пуска криогенной системы, когда она из теплого состояния переходит в рабочее. Такой процесс нестационарного охлаждения иногда называют за холаживанием.

б) ПОНЯТИЕ «ХОЛОД»

Прежде всего, отметим, что понятие «холод» неразрывно связано с понятием «тепло», «теплота» [1, 3] и соответственно характеризует про­цесс, а не состояние.

При взаимодействии какого-либо объекта с низкотемпературной системой, отводящей от него тепло при Т< T _о._с.,принято говорить, что си­стема производит холод, а объект получает холод. Таким образом, посред­ством понятия «холод» обозначается некоторый поток, противоположный по знаку тепловому потоку, идущему от объекта к низкотемпературной системе (генератору холода) и равный по абсолютной величине теплово­му потоку. Другими словами, понятие «холод» представляет собой коли­чественную характеристику процесса внешнего охлаждения.

Возникает вопрос, нельзя ли при работе с низкотемпературными системами (холодильными и криогенными) отказаться от понятия «холод» и его производных (холодопроизводительность, потери холода), которые при первоначальном рассмотрении не представляют собой ничего другого, как те же известные понятия «тепло», «тепловая производительность» и «тепловые потери», но с обратным знаком?

При решении этого вопроса следует, прежде всего, учитывать одно существенное обстоятельство. Понятие «холод» применимо только к от­воду тепла при T < T _о._с. Процесс отвода тепла при T > T _о._с. принципиально отличается от того, который ведется при T < T _о._с. Отличие определяется знаком работы. В первом случае отвод тепла от любого объекта может вестись самопроизвольно, так как не только не требует затраты работы, но, напротив, может вестись с получением работы. Во втором случае необходима затрата работы. Это положение иллюстрируется схемой на рис. 0-2, где показаны объекты А,находящиеся при температурах Т_А> T _о._с.,и объекты В,температуры которых T_B < T _о._с.

Отвод тепла от объектов А на уровень T _о._с. может быть проведен двумя путями − либо непосредственно (схема слева), либо с помощью какого-либо устройства (например, теплового двигателя, в котором по­средством теплового потока производится работа L),как показано на схеме справа.

Для объекта В с температурой Т_В< T _о._с. непосредственный отвод тепла в окружающую среду невозможен (схема слева). Чтобы отвести от него тепловой поток Q, необходимо специальное устройство − рефри­жератор, которое требует затраты работы L.

Поэтому отвод тепла при Т< T _о._с. нечто совершенно иное, чем при T > T _о._с.; тепловой поток при T > T _о._с. с обратным знаком не будет потоком холода.

Использование термина «холод» позволяет подчеркнуть это отличие. Однако главное преимущество, которое обусловило широкое применение понятия «холод», имеет практический характер и связано с составлением энергетического баланса низкотемпературной системы.

Рассмотрим предварительно в общем виде некоторые особенности энергетических балансов ¹ высокотемпературной² и низкотемпературной систем.

Задачи, которые выполняет каждая из систем, принципиально различны.

В высокотемпературной системе, независимо от ее назначения, задача сводится к тому, чтобы как можно большая часть введенной (на­пример, в виде топлива) энергии W была использована по назначению (для получения работы или какого-либо технологического эффекта) и как можно меньшая часть отводилась из системы по любым другим каналам (потери тепла Σ Q _о.с.)*.

В низкотемпературной системе, напротив, задача сводится к тому, чтобы вывести из нее наибольшее количество энергии с тем, чтобы по­лучить холод или какой-либо технологический эффект. Расположение высокотемпературной и низкотемпературной систем по отношению к температурному уровню окружающей среды различно.

¹ Иногда в литературе термин «энергетический баланс» заменяют термином «тепловой баланс». Это допустимо только для закрытых систем, где обмена веществом через границы системы не происходит. В этом случае работа включается в баланс без учета ее качественного отличия от тепла. Для открытых систем, где в баланс обычно входят величины энергии потоков вещества (тепло как таковое здесь отсутствует), может использоваться только энергетический баланс.

² Под высокотемпературной здесь и в дальнейшем подразумевается любая теплотехническая система, все элементы которой работают при Т> T _о._с.

* Потери тепла Σ Q _о.с. включают как ту часть тепла, которая по условиям второго начала термодинамики не может быть использована, так и ту, которая связана с техни­ческими потерями от необратимости [3, 5].

Высокотемпературная система целиком расположена в области тем­ператур T>T _о.с.; низкотемпературная система неизбежно располагается частично при Т < T _о._с. и частично при T > T _о._с. Наличие в низкотемпера­турной системе той или иной «теплой части» неизбежно потому, что от­дать тепло в окружающую среду (а без этого система неработоспособ­на) можно только с уровня T > T _о._с.К «теплой» части системы понятие «холод», естественно, неприменимо.

Используя в низкотемпературной системе термины, производные от понятия «холод», − «холодопроизводительность», «потери холода», можно сохранить тот же подход, что и в тепловых системах, автомати­чески учитывая изменение знака теплового потока.

Чтобы сохранить единство подхода и формы уравнений энергетиче­ского баланса тепловых и низкотемпературных систем, вводятся поня­тия, посредством которых перемена знака величин энергетических по­токов в низкотемпературных системах исключается: приход энергии считается расходом холода и наоборот. При точном выполнении этого правила расчет остается вполне строгим и какая-либо ошибка исклю­чается. Формы энергетического баланса для обоих случаев остаются одинаковыми.

Производительность в высокотемпературной установке характери­зуется выдачей тепла или работы. В низкотемпературной установке про­изводительность соответственно определяется выдачей холода. Потери в высокотемпературной системе определяются потерями тепла или работы; в низкотемпературной − потерями холода.

Рис. 0-2. Схема процессов отвода тепла от объектов с температурой более высокой, чем T _о._с.(А),и от объектов с температурой ниже T _о._с.(В).

Если отнести эти величины ко времени (для оценки мощности), то соответственно тепловой производительности и тепловым потерям по­явятся холодопроизводительность и ее потери.

Таким образом, холодопроизводительность брутто − общее количе­ство тепла, отведенного системой от объекта при температуре ниже T _о._с.в единицу времени. За вычетом потерь холодопроизводительности всех видов, связанных с проникновением в систему извне любой энергии, она составит холодопроизводительность нетто, или полезную холодопроиз­водительность Q ₀.

Энергетический баланс криогенной системы в общем виде рассмот­рен в гл. 4.

0-3. КЛАССИФИКАЦИЯ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМ ПО НАЗНАЧЕНИЮ

В современной технике используются многочисленные типы крио­генных систем различного назначения. Однако все их множество может быть по признаку назначения разделено на три основных класса:

× рефрижераторные системы (криорефрижераторы);

× ожижительные установки (криоожижители);

× разделительные установки (криоразделители смесей).

Такое деление на классы по признаку назначения дает возможность выявить ряд других признаков криогенных систем, однозначно связанных с их применением.

Рассмотрим принципиальные особенности каждого из этих классов более подробно. Используем для сокращения условные обозначения:

R − рефрижераторы (от refrigeration − охлаждение);

L − ожижители (от liquefaction − ожижение);

D − разделительные установки (от division − разделение).

а) КРИОРЕФРИЖЕРАТОРЫ (КЛАСС R)

Системы класса R предназначены для отвода тепла от любых объ­ектов в интервале температур, включающих T <120 К.

В зависимости от вида и назначения объекта (или объектов) охлаж­дения или криостатирования система R может производить холод Q ₀ на одном или нескольких заданных уровнях.

Криогенная система класса R включает подсистему, которая выра­батывает (генерирует) холод Q ₀,и элементы использования эффекта охлаждения, позволяющие передать этот холод объектам (или объекту) охлаждения (криостатирования). Число элементов использования равно числу объектов охлаждения.

б)      КРИООЖИЖИТЕЛИ (КЛАСС L)

Системы класса L предназначены для перевода вещества из газообразного состояния с температурой, близкой к T _о._с., в конденсированное (твердое, жидкое или шугообразное¹) состояние при Т <120 К.

¹ Шуга (англ. slush)− двухфазная система − смесь кристаллов и жидкости.

Таким образом, область их применения несколько шире, чем только ожижение. Однако, поскольку в этом классе господствующее место занимают установки для ожижения газов, все входящие в него системы условно, за отсутствием пока соответствующего общего термина, относят к ожижителям.

Основное отличие систем класса L от систем R состоит в том, что холодопроизводительность Q ₀ реализуется в конечном счете не в виде теплового потока, подводимого при Т< T _о._с.через границы системы, а по­средством уменьшения энтальпии потока вещества, проходящего через нее. Процесс отвода тепла от конденсируемого вещества производится внутри системы L во всем температурном интервале.

Так же как и R, системы L могут быть одноцелевыми и многоцеле­выми; можно, например, одновременно или поочередно ожижать два разных газа или выводить одну часть жидкости при температуре кипе­ния и другую − охлажденную ниже температуры кипения при данном давлении. В отличие от рефрижераторов работа системы L обеспечива­ется не только источником энергии, но и источником газа. Ожиженный или замороженный газ выдается из криогенных систем потребителю.

Существуют комбинированные системы типа RL, которые либо од­новременно, либо путем перестройки режима производят криостатиро-вание объекта и (или) выдают определенное количество ожиженного (или охлажденного до температуры конденсации) газа.

Такие рефрижераторы-ожижители наиболее выгодны для объектов типа криорезистивных или сверхпроводящих соленоидов и кабелей. Хо­лод в этом случае используется для криостатирования, а поток холод­ного рабочего тела − для отвода тепла от токовводов на переменном уровне от T ₀ до T _о._с.

в)    РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ (КЛАСС D)

Криогенные системы этого класса предназначены для низкотемпературного разделения газовых смесей, таких, как воздух, природный коксовый, нефтяной и другие промышленные газы, выделения водорододейтерия (НD) из технического водорода и т. д. Подавляющее большинство этих процессов разделения основано на конденсационно-испарительных методах (непрерывные испарение или конденсация в различных модификациях и ректификация), а также сорбционных (адсорбция и десорбция).

Криогенное обеспечение процессов разделения отличается одной принципиальной особенностью, которая не позволяет непосредственно использовать для этой цели обычные системы класса R. Эта особенность состоит в том, что разделение требует одновременного с отводом тепла Q _к для конденсации, подвода тепла Q _ив испарительную часть системы; оба процесса должны вестись при низких температурах.

В тех случаях, когда один или несколько продуктов разделения должны быть получены в жидком виде, система криогенного обеспечения должна выполнять также функции ожижителя (класс DL).

Термодинамический анализ принципиальных особенностей систем D и DL дан в гл. 9.

Подробное рассмотрение таких систем различного назначения, в частности ректификационных, проведено в ряде работ [8−11].

Глава первая

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  ЧИСТЫХ ВЕЩЕСТВ