Презентация на тему "Установки для получения низких температур"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Установки для получения низких температур

  1

• 
  Слайд 2

  Термины и понятия

  2 Холод – теплота, отведенная от тела в процессе искусственного охлаждения Холодопроизводительность – количество теплоты, отводимой в единицу времени при температуре ниже температуры окружающей среды. Удельная холодопроизводительность – то же для 1кг рабочего тела Среди процессов, образующих цикл холодильной машины, должен быть по крайней мере один, сопровождающийся понижением температуры в адиабатных условиях, либо поглощением тепла в изотермических условиях. Холдопроизводящими процессами называются процессы, при которых уменьшается энтальпия рабочего тела. охлаждение сжатого или сжимаемого газа; конденсация рабочего тела; детандирование; динамические процессы температурного расслоения и т.д.

• 
  Слайд 3

  Уравнения состояния реального газа

  3 Простейшее по форме эмпирическое уравнение : Уравнение Ван-дер-Ваальса Выражения для внутренней энергии и энтальпии принимают вид:

• 
  Слайд 4
  

  Основные процессы для получения низких температур.Сжатие реального газа.

  4 При изотермическом сжатии реального газа внутренняя энергия всегда уменьшается Характер изменения энтальпии в разных областях состояний не одинаков: а) Δh0 Qотв=Lсж- Δh

• 
  Слайд 5
  

  Основные процессы для получения низких температур.Процесс h=const . Дросселирование.

  5 Изменение температуры при дроселировании характеризуется дифференциальным эффектом hДжоуля-Томсона Из термодинамики : При Δh=0: 1-область понижения 2- область повышения температуры, 3- кривая инверсии.

• 
  Слайд 6
  

  6 Для идеального газа: Δh=0; При использовании уравнения состояния в виде При использовании уравнения состояния Ван-дер-Ваальса: Для практических условий, когда имеется конечная разность давлений

• 
  Слайд 7

  Равновесное адиабатное расширение газа (s=const).

  7 Коэффициент изоэнтропного расширения: (всегда >0) Для разных видов уравнения состояния При z=const иk= const

• 
  Слайд 8

  Процесс выхлопа или свободный выпуск газа из баллона.

  8 Работа 1 кг газа в закрытой системе для реального газа

• 
  Слайд 9

  Задачи, решаемые криогеникойКриогенное термостатирование

  9 Криогенное термостатирование - процесс поддержания постоянной температуры (на уровне ниже 120 К) в каком-либо веществе или среде. минимальная удельная работа: коэффициент min затрат удельной мощности:

• 
  Слайд 10

  Задачи, решаемые криогеникойПроцесс охлаждения вещества от Tx’ до Tx”

  10 Отводимая теплота: Уравнение энергии (для а) и б)). Минимальная работа:

• 
  Слайд 11

  Задачи, решаемые криогеникой

  11 Конденсацию или кристаллизациючистого вещества наиболее часто осуществляют при постоянном давлении. В этом случае процесс протекает при постоянной температуре Тх с выделением тепла, которое необходимо отвести в окружающую среду. Ожижениегаза Работа изотермического сжатия: работа расширения газа в детандере: минимально необходимая работа: теплота, отбираемая у 1 кг газа: qx=h1-hf

• 
  Слайд 12
  

  12 Зависимость удельного расхода энергии идеального цикла для ожижения газов и цикла Карно от температуры при Т0 =300 К. 1-метан, 2-кислород, 3-азот, 4-неон, 5-водород, 6-гелий. Ожижениегаза В идеальных ожижительных циклах необходимая работа меньше, чем в цикле Карно

• 
  Слайд 13

  Задачи, решаемые криогеникойРазделение газовойсмеси

  13 Энтропия смеси газов, находящейся при давлении р0 и температуре Т0 , отличается суммы энтропий составляющих смесь газов при тех же температуре и давлении. поскольку молярная доля yi0. Для одного моля разделяемой смеси уравнение энергии: здесьl – работа разделения. Схема процесса разделения смеси двух газов.

• 
  Слайд 14

  Показатели эффективности реальных циклов

  14 Холодопроизводительность. Полная - суммарное уменьшение энтальпии единицы массы рабочего тела во всех холодопроизводящих процессах данного цикла. Полезная – то же минус потери. Коэффициент ожижения: х - отношение количества сжиженного газа к полному количеству поступившего газа. Удельная холодопроизводительность определяется теплотой, отведенной от газа в процессе его ожижения qx=x(h1-hf), где h1 и hf - энтальпия рабочего тела при параметрах окружающей среды и энтальпия жидкости. Минимальная работа – в отличие от полной работы не учитывает дополнительной работы на сжатие газа, связанной с компенсацией потерь,связанных с необратимостью составляющих цикл процессов. Удельная работа l0 -полная работа, отнесенная к единице полученного эффекта. l0=L/qx , (Дж/Дж), l0=L/x, (кДж/кг жидк), l0=L/Mi, (кДж/м3 прод.)

• 
  Слайд 15
  

  15 Холодильный коэффициент - отношение полезной холодопроизводительности к полной работе. Для идеального рефрижера-торного цикла Карно Для идеального ожижительного цикла Степень термодинамического совершенства ηт характеризует эффективность реального цикла по сравнению с соответствующим идеальным прототипом. для целей термостатирования для целей ожижения

• 
  Слайд 16

  Циклы холодильных машинцикл с простым дросселированием

  16 qxт=h5-h4т=h1-h2 h2-h3т=h1-h5 и h3т= h4т поскольку дроссель-эффект потери холодопроизводительности: qx рек=h3’-h3т=h4’-h4т qx вн=h3-h3’=h4- h4’ Для ожижительных циклов баланс энергии для выделенного объема откуда

• 
  Слайд 17
  

  17 Работа компрессора для действительного цикла: Удельная работа для рефрижераторного цикла для ожижительного цикла Холодильный коэффициент

• 
  Слайд 18

  Циклы с предварительным охлаждением и дросселированием.

  18 теоретическая суммарная холодопроизводительность hT2 =hT1 +(h2” –h2’)=h6 –h2 т.к. h6 =h1 – qрек ;h2’ = h2 - qрек –(h2” –h2’) qB=GBhB=hT2 -hT1+Cp(T1 -T2)+qвн1 qx=hT2-qx рек2 -qx вн2 действительная удельная холодопроизводительность: теплота, отводимая при предварительном охлаждении для ожижительного цикла: 2”-2’ – дополнительный холодопроизводящий процесс

• 
  Слайд 19

  Циклы с двойным дросселированием и циркуляцией потока

  19 Тепловой баланс:

• 
  Слайд 20
  

  при одинаковых  Т: Работа сжатия на единицу ожиженного продукта: Доля расхода D2 должна выбираться из уравнения теплового баланса рекуператора Т :

• 
  Слайд 21

  Газовыедетандерныециклы(распространены в рефрижераторных установках)

  21 = qx/lполн.

• 
  Слайд 22
  

  Комбинированные циклы с дросселированием и расширением рабочего тела в детандерах

  22 варианты комбинированных циклов Баланс энергии в теплообменниках (ожижительный цикл):

• 
  Слайд 23
  

  23 коэффициент ожижения: для дроссельной ступени охлаждения для детандерной ступени Уравнения энергии

• 
  Слайд 24

  Многоступенчатое охлаждение

  24 Расход через компрессор уравнение теплового баланса в регенераторе i-й ступени расход газа через i-й детандер принимаем: тогда

• 
  Слайд 25

  Работа многоступенчатого процесса

  25 принимаем, что последняя ступень работает по циклу Карно суммарная работа цикла

• 
  Слайд 26

  Работа по обратному циклу Стирлинга

  26 Идеальный цикл состоит из 2-х изотерм и 2-х изохор. работа процессов сжатия и расширения теплота,отводимая в атмосферу подводимая к рабочему телу

• 
  Слайд 27
  

  27 холодопроизводительность идеальной машины больше работы расширения поскольку для реального газа тогда и холодильный коэффициент идеальной машины: Одноступенчатые холодильные машины Стирлинга применяют для получения достаточно больших количеств холода на уровне температур 150‑70К и до 40К при малых производительностях. Двухступенчатые машины успешно применяют для ожижения водорода (20К), а наиболее низкая температура, достигнутая с помощью трехступенчатой машины составляет около 8,5К.

• 
  Слайд 28

  Цикл Гиффорда – Мак-Магона.

  28 холодопроизводящим процессом является процесс неравновесного расширения рабочего тела 1, 2 — ресиверы; 3 — регенератор; 4 — рабочий цилиндр с вытеснителем; 5 — компрессор; 6 и 7 — клапаны соответственно впускной и выпускной; А и Б —соответственно теплая и холодная полости цилиндра исходное состояние: компрессор и газоохладитель 5 поддерживают в ресивере 1 давление р2 и температуру Т0. В полости А давление р1

• 
  Слайд 29
  

  29 Окончательно, конечное значение температуры период времени 2: при открытом впускном клапане поршень-вытеснитель поднимается, и газ через охлажденный за предыдущий цикл регенератор перемещается в холодную полость Б цилиндра 4, где температура близка к Т (процесс 2'-4'). При этом в регенератор поступает дополнительное количество газа: Вследствие чего температура смеси 2-х порций газа снижается (процесс 2’-3’). период времени 3: впускной клапан закрывается, и открывается выпускной клапан 7. Происходит выхлоп — очень быстрое расширение газа в процессе свободного выпуска из цилиндра в ресивер 2, находящийся под давлением р1, и температура газа падает (процесс 4'-5'). период времени 4: при открытом выпускном клапане поршень-вытеснитель опускается, и газ из холодной полости цилиндра проталкивается через регенератор (процесс 6'-1’). К холодной полости цилиндра или регенератора подводится теплота q (полезная холодопроизводительность). Выходя на теплой стороне из регенератора, газ частично направляется в компрессор и там сжимается; другая часть газа заполняет теплую полость А цилиндра 4. Когда поршень-вытеснитель достигает нижней мертвой точки, выпускной клапан 7 закрывается .

• 
  Слайд 30
  

  30 В момент открытия клапана 7 в цилиндре находится 1=G2+ΔG кг газа при давлении р2 и температуре Т≈Т4. За время выхлопа вытекло баллон 2: 1-G1, осталось в цилиндре G1 при давлении р1 и температуре Т1. Холодопроизводительность Величину G1можно определить из равенства откуда: Тогда при Т0≈Т1 и Пример: при Т= 100 К и Т0 = 300 К Удельная работа

• 
  Слайд 31

  Машина по схеме Вюлемье-Такониса

  31 работа двигателя холодопроизводительность баланс тепловых потоков соотношение тепловых потоков

• 
  Слайд 32
  

  32 В фазе /-// при неподвижном холодном вытеснителе рабочее тело проталкивается через регенератор из промежуточного объема Vпр в теплый объем V (линия ав). В фазе II-III при неподвиж-ном теплом вытеснителе рабочее тело проталкивается через регенератор холодного цилиндра из объема V в холодный объем V0. Одновременно сообщается теплота Q (полезная нагрузка), однако суммарный эффект от подвода теплоты Q и отвода теплоты Qрег в регенераторе приводит к уменьшению давления (линия bс). В фазе III-IV происходит аналогичный процесс переталкивания рабочего тела из теплого объема V в промежуточный Vпр при неподвижном холодном вытеснителе, сопровождающийся уменьшением давления (линия cd). В фазе IV-I рабочее тело из холодного объема V0переталкивается в полость Vпрпри некотором повышении давления (линия da). Tmin= 15-30 K