1.1. Общая характеристика методов получения низких температур

Наиболее широко применяемые, известные в современных криогенных системах, термомеханические методы охлаждения (происходящие при ) могут быть разделены на четыре группы по виду работ, которые производятся обобщенной силой p с целью понижения температуры Т, связанных зависимостью:

,

(1.1)

где с – теплоемкость процесса, которая имеет соответствующие значения; в изобарном , изохорном , при постоянном магнитном поле т. д.

Формула (1.1) показывает, что для любой обобщенной силы p изменение температуры определяется изоэнтропическим и изотермическим процессами.

Известные термомеханические методы внутреннего охлаждения можно классифицировать по применяемой обобщенной силе p, показанной в табл. 1.1.

Для оценки эффективности представленных методов внутреннего охлаждения необходимо иметь некий критерий, характеризующий эффект охлаждения.

В качестве такого критерия иногда используется размерная величина

,

(1.2)

непосредственно связанная с , определяющей эффект охлаждения.

Максимальное значение имеет в случае

,

(1.3)

когда процесс протекает в обратимом изоэнтропном процессе. Во всех остальных случаях

,

(1.4)

где х – параметр, определяющий условия процесса охлаждения.

Показатель эффективности работы

(1.5)

характеризует интегральный эффект охлаждения и показывает отношение результата процесса охлаждения – понижения температуры – к понижению (затраченной) обобщенной силы, в данном случае .

Однако не может служить полноценным показателем термодинамической эффективности процесса охлаждения, поскольку не определяет, какова степень приближения процесса к идеальному.

Необходима относительная безразмерная величина, каким, например, может служить КПД. В расширительной машине – детандере в качестве такого кпд применяется адиабатный или изоэнтропийный КПД .

Таблица 1.1

Классификация термомеханических методов внутреннего охлаждения

Группа	Кол – во рабочих тел,	Обобщенная сила, p	№ п/п	Способ реализации	Условия проведения процесса	Название процесса или эффекта
1		Против сил взаимодействия	1	Разрешение при прохождении тела через сопротивление		Дросселирование (эффект Джоуля –Томсона)
		То же	2	Смешение газов		Изобарное смешение
2		Против внешних по отношению к рабочему телу сил	3	Разрешение с работой над механическими элементами (поршнем, лопатками)		Детандирование (эффект Сименса –Клода)
			4	Разрешение с работой над газом		Выпуск (эффект Джоуля)
			5	Испарение конденсированной фазы с отводом пара		Откачка
			6	Разрешение в электрическом поле		Электромеханическое охлаждение
		Против сил адсорбции	7	Разрешение, сопровождающееся десорбцией		Десорбционное охлаждение (эффект Симона)
3		Одной части потока против другой части	8	Разрешение потока с градиентом скорости		Вихревое охлаждение (эффект Ранке)

Адиабатный КПД представляет собой отношение действительного перепада энтальпий к изоэнтропийному и характеризует эффективность процесса охлаждения в детандере (рис. 1.2):

.

(1.6)

В случае идеального процесса охлаждения, который протекает по изоэнтропе s=const, адиабатный КПД = l. В случае протекания процесса по изоэнтальпе i=const, адиабатный кпд = 0. Все остальные действительные процессы охлаждения в детандере занимают промежуточные значения, а адиабатный КПД изменяется от 1 до 0 (0   1).

О днако адиабатный КПД в качестве критерия оценки эффективности процесса охлаждения не совсем годится для других методов охлаждения. Например, для процесса дросселирования, который протекает по линии НД, в Т-s – диаграмме = 0. В то же время эффект охлаждения имеется, так как в этом процессе температура рабочего тела понижается на величину , и величина коэффициента дросселирования .

Для оценки процессов внутреннего охлаждения профессор В. М. Бродянский предложил в качестве критерия эксергетический КПД [5], который наглядно можно показать на «эксергетической» диаграмме е-i (удельные эксергия – энтальпия), (рис. 1. 3). В е-i диаграмме величина эксергии равна нулю при параметрах окружающей среды и ( ).

С понижением температуры от , так же, как и с повышением, эксергия при конкретном давлении растет. Здесь процесс адиабатного охлаждения протекает по линии нкs (s=const, идеальный процесс адиабатного расширения), реальный процесс детандирования протекает по линии нк, а процесс дросселирования – по линии нд.

Эксергетический КПД для процессов охлаждения можно представить как

,

(1.7)

где – разность эксергий характеризует понижение температуры, всегда положительная, в данном случае для реального процесса НК в детандере она равна , а в дросселе дросселивания ; – определяет суммарную дополнительную эксергию любого вида, полученную в процессе внутреннего охлаждения (например, работа , полученная в процессе расширения в детандере).

То есть в соответствии с диаграммой е-i

,

(1.8)

здесь величина в числителе показывает эксергетическую холодопроизводительность – увеличение эксергии на величину , связанную с охлаждением от до ; величина – «срабатываемый» потенциал, выраженный в эксергетических единицах; – дополнительный эффект, который может рассматриваться как некоторая компенсация, позволяющая вернуть часть работы, затраченной на повышение потенциала р.

.

Практически в реальных процессах охлаждения ( ) первый член всегда отличен от нуля, поскольку процесс охлаждения имеет смысл только в этом случае.

Второй член равен нулю только посредством первого способа охлаждения – дросселирования и смешения газов. Во всех остальных случаях .

Полезную величину можно затратить на дополнительный отвод тепла от рабочего тела в окружающую среду. В этом случае может иметь максимальный эффект охлаждения от до (идеальный случай охлаждения).