- •И.А. Короткий Научные основы криологии
- •Кемерово 2005
- •Предисловие
- •Введение
- •1. Базовые термодинамические понятия и законы. Применение первого и второго закона термодинамики
- •1.1. Принцип сохранения массы, материальный баланс
- •1.2. Принцип сохранения энергии. Энергетический баланс
- •1.3. Принцип возрастания энтропии. Уравнение энтропийного баланса. Необратимость и затрата работы
- •1.4. Принцип недостижимости абсолютного нуля термодинамической температуры
- •Контрольные вопросы:
- •2. Термодинамические диаграммы и процессы криогенных систем
- •2.1. Равновесные состояния и фазовые переходы чистых веществ
- •2.2. Рабочие диаграммы криогенных систем
- •2.3. Равновесные состояния и фазовые переходы бинарных систем
- •Контрольные вопросы и задания:
- •3. Основные процессы для получения низких температур
- •3.1. Процессы внешнего и внутреннего охлаждения
- •3.2. Сжатие реальных газов в обратных термодинамических циклах
- •Контрольные вопросы и задания:
- •4. Процессы, сопровождающиеся понижением температуры
- •4.1. Дросселирование газов, паров и жидкостей
- •4.2. Равновесное адиабатное расширение газа в детандере
- •Контрольные вопросы и задания:
- •5. Идеальные циклы криогенных систем
- •5.1. Криогенное термостатирование
- •5.2. Криогенное охлаждение
- •5.3. Криогенная конденсация и кристаллизация
- •5.4. Ожижение криогенных газов
- •5.5. Разделение газовых смесей
- •Контрольные вопросы и задания:
- •6. Реальные циклы криогенных систем
- •6.1. Классификация криогенных циклов
- •6.2. Основные характеристики реальных циклов низкотемпературных систем
- •6.3. Энергетический баланс отдельных ступеней охлаждения
- •6.4. Ступени охлаждения криогенных систем
- •6.4.1. Ступень внешнего охлаждения
- •6.4.2. Ступень с расширением потока в детандере
- •6.4.3. Ступень с расширением потока в дроссельном устройстве
- •Контрольные вопросы и задания:
- •7. Основные циклы низкотемпературных установок
- •7.1. Дроссельные циклы ожижения
- •7.1.1. Цикл с простым дросселированием
- •7.1.2. Цикл с предварительным охлаждением и дросселированием
- •7.1.3. Цикл с двойным дросселированием и циркуляцией части потока
- •7.1.4. Цикл с двойным дросселированием и предварительным охлаждением
- •7.2. Комбинированные циклы с дросселированием и расширением рабочего вещества в детандерах
- •7.2.1. Циклы среднего и высокого давления
- •7.2.2. Цикл низкого давления с турбодетандером
- •7.2.3. Цикл с расширением в детандере, дросселированием и предварительным охлаждением
- •Контрольные вопросы и задания:
- •8. Газовые холодильные машины
- •Контрольные вопросы и задания:
- •9. Разделение газовых смесей
- •9.1. Равновесные составы фаз идеальной системы
- •9.2. Процесс ректификации бинарной смеси
- •9.3. Ректификационная колонна
- •9.4. Колонна однократной ректификации
- •9.5. Двукратная ректификация
- •Контрольные вопросы и задания:
- •10. Теплообменные аппараты криогенных установок
- •10.1. Особенности теплообменника в криогенных системах
- •10.2. Теплообменные аппараты, их классификация и виды теплообменных поверхностей
- •10.3. Эффективность теплообменников
- •10.4. Теплоизоляция криогенных систем
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Научные основы криологии
- •650056, Г. Кемерово, б-р Строителей, 47
- •650010, Г. Кемерово, ул. Красноармейская, 52
Библиографический список
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.
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.
Установки, машины и аппараты криогенной техники: Атлас. Ч.1. - М.: Пищевая промышленность, 1976.
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.
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 |
Tкип Tпл Tk Ta |
K |
165,05 161,39 289,74 161,35 |
119,78 115,79 209,39 115,76 |
111,7 90,7 191,06 90,66 |
90,188 54,4 154,78 54,361 |
87,29 83,85 150,72 83,81 |
84,95 53,5 144,31 53,481 |
78,8 – 133 – |
|
Давление: критической точки тройной точки |
pk ра |
МПа Па |
5,84 81600 |
5,51 73190 |
4,64 11667,66 |
5,107 152 |
4,864 68 |
5,215 920 |
3,769 252 |
|
Плотность: льда (приближенно) насыщенной жидкости насыщенного пара1 газа1 при Т = 293 К |
тв ж п г |
кг/м3
|
3423 2941 10,0 5,49 |
2794 2413 8,803 3,40 |
500 424,5 1,8 0,6679 |
1400 1142 4,8 1,331 |
1624 1400 5,7 1,66 |
1907 1510 5,63 1,58 |
– 873 4,48 1,205 |
|
Теплота: испарения1 плавления (приближенно) |
rи rпл |
Дж/г |
95,7 17,26 |
107,6 22,6 |
509,54 58,6 |
212,76 13,95 |
163,02 29,55 |
175,5 13,4 |
205,5 – |
|
Удельная теплоемкость: насыщенной жидкости1
насыщенного пара1
газа1 при Т = 293 К
|
ср cv ср cv ср cv |
Дж/(гК) |
0,349 0,16 0 168 — 0,16 0,096 |
0,545 — 0,263 — 0,25 0,147 |
3,45 — 2,09 1,55 2,22 1,69 |
1,6961 0,925 0,964 0,666 0,922 0,658 |
1,14 0,575 0,53 — 0,523 0,312 |
1,5 0,803 0,812 0,561 0,824 0,604 |
l,96 — 1,02 — 1,01 0,72 |
|
Динамическая вязкость: насыщенной жидкости1 насыщенного пара1 газа1 при Т = 293 К |
|
мкПас |
450 13,3 23,0 |
372 10,8 25,0 |
102,8 4,49 11 |
196 6,85 20,7 |
240 7 23 |
265 7,5 23,5 |
178 5,6 18 |
|
Теплопроводность: насыщенной жидкости1 насыщенного пара1 газа1 при Т = 293 К |
|
Вт/(мК) |
0,0706 0,00315 0,00547 |
0,09 0,00404 0,00931 |
0,2 0,012 0,0329 |
0,1515 0,00855 0,0262 |
0,12 0,0057 0,0167 |
0,15 0,007 0,024 |
0,146 0,0073 0,0255 |
|
Скорость звука1: в насыщенной жидкости в насыщенном паре |
а а |
м/с |
645,2 – |
684,3 – |
1430 270 |
900 175 |
819 – |
854 158 |
– 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 |
Обозначе-ние |
Единица |
Значение для | ||||||
|
N2 |
Ne |
H2 (н)**
|
H2 (р)** |
4He |
3He |
H2O | |||
|
Температура: кипения1 плавления1 (приближенно) критической точки тройной точки |
Tкип Tпл Tk Ta |
K |
77,36 63,2 126,6 63,15 |
27,108 24,6 44,45 24,56 |
20,39 (н) 13,96 33,24 (н) 13,95 (н) |
20,28 (р) 13,96 32,9 (р) 13,81 (р) |
4,224 – 5,2014 – |
3,191 – 3,324 – |
373,15 273,15 647,31 273,16 |
|
Давление: критической точки тройной точки |
pk ра |
МПа Па |
3,398 12 35,7 |
2,721 43307,5 |
1,297 (н) 7200,6 (н) |
1,287 (р) 7040,6 (р) |
0,2275 — |
0,1165 — |
23,62 611,2 |
|
Плотность: льда (приближенно) насыщенной жидкости насыщенного пара1 газа1 при Т = 293 К |
тв ж п г |
кг/м3
|
947 808 4,61 1,165 |
1400 1204 4,8 0,8385 |
86,7 70,8 1,34 0,08374 |
|
190 125 15,5 0,1663 |
143 60 22 0,124 |
900 958 0,5975 – |
|
Теплота: испарения1 плавления (приближенно) |
rи rпл |
Дж/г |
199 25,8 |
85,7 16,62 |
447 58,7 |
|
20,8(22*) 5,7 |
8,5 3,3 |
2257,2 333 |
|
Удельная теплоемкость: насыщенной жидкости1
насыщенного пара1
газа1 при Т = 293 К
|
ср cv ср cv ср cv |
Дж/(гК) |
2,05 — 1,03 — 1,046 0,745 |
1,82 ^1,2 1,17 0,652 1,039 0,62 |
9,7 (п) 5,75 (п) 12,1 (п) 6,5 (п) 14,85(п) 10,7(п) |
|
5,0 2,37 8,25 3,28 5,2 3,15 |
4,6
6,89 4,135 |
4,22 3,73 2,038 1,52 – – |
|
Динамическая вязкость: насыщенной жидкости1 насыщенного пара1 газа1 при Т = 293 К |
|
мкПас |
152 5 17,8 |
124 4,5 32 |
13,2 (п) 1,13 (п) 8,15 (п) |
|
3,6 1,25 18,9 |
1,9 1,2 16,3 |
317,2 12,1 — |
|
Теплопроводность: насыщенной жидкости1 насыщенного пара1 газа1 при Т = 293 К |
|
Вт/(мК) |
0,14 0,007 0,025 |
0,13 0,008 0,049 |
0,0988 (н) 0,0169 (н) 0,176 (н) |
|
0,0197 0,0106 1,465 |
0,0145 0,0125 — |
0,675 0 024 — |
|
Скорость звука1: в насыщенной жидкости в насыщенном паре |
а а |
м/с |
880 177 |
– 135 |
1090 (н) 355 (н) |
|
172 100 |
180
|
1450
|
|
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.
1Свойства при давлении 0,101325 МПа.
Примечание. - общая тенденция к уменьшению при увеличении давления; - общая тенденция к увеличению при уменьшении давления; - слабая зависимость от давления.