Разработка и анализ эффективности холодильных машин на диоксиде углерода, работающих на уровне температур от -80 до -120 °С, страница 3

После низкотемпературной обработки вматериалахзакончатсяпроцессыперекристаллизациииможнобудетосуществить финишную обработку или забраковать детали, изменения вкоторых будут носить неприемлемый характер.Температура начала и конца мартенситного превращения взависимости от содержания углерода в стали.1 – начало мартенситного превращения; 2 – конец мартенситногопревращенияВ дополнение к вышеизложенному, изменения структуры материалавлекут изменения таких физических параметров как плотность, прочностныехарактеристики, электрические и магнитные характеристики. Для необходимого14изменения указанных характеристик возможно прибегать к направленномувоздействию холода на стальные детали.Изучение изменения свойств материалов и характера их разрушения принизкихтемпературахнеобходимодляуспешногоэксплуатированияоборудования в условиях Крайнего Севера и других холодных районов страны,где техника эксплуатируется значительное время года при низких (до -60° С)температурах.

В таких условиях машины и механизмы, предназначенные длястандартных условий, быстро выходят из строя.Элементы авиационных конструкций работают в условиях низкихтемператур (до - 60° С) при очень высоких напряжениях и часто подвергаютсязнакопеременному тепловому удару. Так, при снижении самолета с высоты 12–15 км он может в течение нескольких минут перейти из зоны с температурой 60° С в зону с температурой 40° С. Еще более резко изменяются температурныеусловия при выводе на орбиту и приземлении космических объектов: от - 250° Св космическом пространстве до 2000–3000° С при торможении в плотных слояхатмосферы.

[11], [41], [42].Прогнозировать поведение оборудования в целом и его составныхэлементов возможно при учете особенностей поведения материалов в условияхнизких температур, правильного подбора конструктивных материалов, несущихзначительные силовые нагрузки, испытаний материалов деталей, узлов имеханизмов в целом в условиях низких температур, вакуума, тепловых ударов ит.

д.Отдельноговниманиязаслуживаетотраслькосмическогоаппаратостроения. Любой космический аппарат проходит испытания на земле вусловиях, приближенных к космическим. Для этого служат установкитепловакуумных, вакуум-температурных, специальных испытаний. Напримерустановка космического материаловодения в числе факторов космическогопространства имеет возможность воздействия на испытуемый образецтемператур от -150 oC до +300 oC.

[11]151.1.2 Технологии термообработки и хранения биоматериаловПервые эксперименты по замораживанию животных были проведеныеще в XVII в. Уже в XX веке русским ученым П. Бахметьевым открыт первыйкриопротектор – глицерин, проведены опыты по заморозке тканей человека имлекопетающих. Роберта Эттингера, профессора Университета Уэйна, (США)автора работы «Перспективы бессмертия», можно считать основоположникомсовременной крионики – технологии консервации при низкотемпературномохлаждении. Не смотря на спорность данного научного направления, внастоящее время существует несколько организаций по всему миру,предоставляющих услуги замораживания и хранения тканей, органов, телачеловека полностью.Дляживотноводствабольшоезначениеимееттехнологиякриозамораживания и хранения генетического материала, используемого длярепродукции скота.

В растениеводстве широко применяется технологиязамедления всхожести семян и корнеплодов путем низкотемпературнойобработки. Для медицины, биологии исключительно важны технологииконсервирования крови и ее продуктов, спинного мозга, материнского молока,разработка эффективных криопротекторов, исключающих кристаллизацию вбиологических жидкостях при их замораживании, применение холода дляразрушения злокачественных опухолей за счет кристаллизации льда внутритканей [12]. С широким распространением малоинвазивной хирургии,становится все более актуальной разработка криозондов и криохирургическихинструментов, при проведении внутриполостных операций [13], [14].Данные технологические процессы осуществляются при температурах вдиапазоне от -70 oC до -196 oC.

Нижний предел температур, можно объяснитьшироким распространением жидкого азота и недостатком в машинных способахохлаждения в данном интервале температур.161.1.3 Криохимические технологииОдин из простых способов инициирования или повышения скоростихимических реакций – это увеличение температуры. Это объясняетсяувеличениемактивныхчастицвгомогенныхсистемах,врезультатевзаимодействия которых происходит реакция.

Как выяснилось, существуютреакции, скорость которых возрастает с понижением температуры. Объяснениеданной аномалии связано с изменением механизма процесса и появлениемтермическинестойкихкомплексовмолекул,активизирующихданноенаправление химического процесса. Понижение температурного уровня поразному влияет на механизм сопряженных взаимодействий.

С понижениемтемпературы наиболее вероятным становится процесс, осуществляющийся снаименьшей энергией активации. Понижение температуры в таких системахможет приводить к двум целевым результатам:− изменение механизма образования целевого продукта облегчаетпроцесс его накопления через низкотемпературные молекулярные комплексы;− происходит подавление побочных процессов, характеризующихсяболеевысокойэнергиейактивации.Какрезультатреализуетсявысокоселективный химический процесс.Ряд принципиально важных задач возможно решать применениемнизкотемпературных воздействий: перевод атомов и молекул в электронноесостояние, невозможное при обычных температурах; выделить продуктывзаимодействия, термодинамически и кинетически стабильные только принизких температурах; реализовать специфический механизм взаимодействия сучастием молекулярных комплексов.Говоря о перспективности использования холода в химии и химическойтехнологии, условно выделяют три направления:− низкотемпературное воздействие выступает самостоятельно, то есть несопровождается другими, нетривиальными физическими воздействиями;− холод комбинируется с нагревом;17− холод комбинируется с другими экстремальными физическимивоздействиями.В процессах, где комбинируются низко- и высокотемпературныевоздействия выделяется криохимическая технология твердофазных материалов.К последним достижениям криохимической нанотехнологии следует отнестиполучение сверхпроводящих оксидных керамических материалов на основемногокомпонентных систем Pb–Bi–Ca–Sr–Cu–O [15].1.1.4 Криохимические нанотехнологииОтносительно новое, но бурно развивающееся направление криохимии —криохимические нанотехнологии.Большое число свойств твердых тел напрямую зависят от характерногоразмера, существует нижняя планка ниже которой эти свойства изменяются.

Этооткрывает возможность перехода к новому поколению материалов, свойствакоторых изменяются не путем изменения химического состава компонентов, а врезультате регулирования их размеров и формы.К наноматериалам относят: порошки твердых тел, состоящие из частицразмером менее 100 нм; стеклообразные и кристаллические материалы, в объемекоторых распределены элементы структуры с наноразмерами; наноразмерныеобразования на поверхности различных материалов; пленки и волокна снаноразмерной толщиной. Поликристаллические материалы со среднимразмером зерен 100–1000 нм обычно называют ультрадисперсными материаламиили продуктами (УДП), дисперсные системы со средним размером зерен 103–104 нм — тонкодисперсными материалами или тонкими порошками.Исследования последнего времени обнаруживают все большие областиприменения наноструктур в различных областях науки и техники (физике,химии, материаловедении, биологии, медицине и тд.).

В качестве примера можнопривести углеродные нанотрубки, которые на порядок прочнее стали (при этомих плотность в шесть раз меньше), наночастицы могут избирательно проникатьв раковые клетки и поражать их, некоторые наноструктуры способны в18миллионы раз повышать быстродействие ЭВМ и т.д. В связи с углублениемзнаний о строении и функционировании природных объектов, а также живыхорганизмов на уровне молекул, исследователи пытаются разработать общийподходкполучениюииспользованиюискусственныхматериаловснаноразмерной структурой.Способов получения наноструктур большое количество, выбор иразработка наиболее недорогих методов и оборудования для их осуществленияв больших количествах (нанотехнология) — одно из приоритетных направленийисследований, так как нанонаука способна добиться реальных успехов толькопри наличии экономически выгодных технологий пригодных для массовогопроизводства [15], [43].1.2 Установки для получения низких температурДля обеспечения обозначенного диапазона температур возможноприменение холодильных машин, следующих типов:газовая регенеративная машина, работающая по обратному циклу−Стирлинга;−волновые криогенераторы;−турбовоздушная холодильная машина с открытым циклом;−парокомпрессионная каскадная установка;−вакуумно-сублимационная холодильная установка с откачкой паров.1.2.1 Парокомпрессионные холодильные установкиПарокомпрессионные холодильные установки, получили наибольшеераспространение из всех существующих способов получения холода.

Этосвязаносбольшойпотребностьювсистемахкондиционирования,коммерческого и промышленного охлаждения, где востребованы температурыдо -35 °C, на таких температурных уровнях данные типы холодильных системпоказывают высокие энергетические характеристики. С развитием холодильногомашино- и аппаратостроения, парокомпрессионные системы расширили19диапазонприменения,выпускаютсяиндивидуальныеморозильники,работающие на хладонах, позволяющие достигать температурный уровень -152°С [16], [44].Принцип действия парокомпрессионных холодильных машин основан наизменении фазового состояния рабочего вещества, при этом процесс поглощениятеплоты происходит при переходе из жидкого состояния в парообразное.Термодинамическиеискусственногохарактеристикипроисхожденияопределяютхолодильныхневысокую,агентовотносительноприродных рабочих веществ, теплоту фазового перехода – жидкость-пар.Сравнительные диаграммы теплоты фазового превращения при нормальномдавлении, а также нормальные температуры кипения и температуры тройнойточки для хладонов, углеводородных и природных рабочих веществ приведеныдалее на Рисунках 1.3-1.8.Теплота парообразования хладагентовНормальная температура кипения и температура тройной точкихладагентов20Теплота парообразования углеводородных и органическиххладагентовНормальная температура кипения и температура тройной точкиуглеводородных и органических хладагентовТеплота парообразования хладагентов природногопроисхождения*Для диоксида углерода указана теплота парообразования при 6 атм, т.к.

давлениетройной точки 5,2 атм21Нормальная температура кипения и температура тройной точкирабочих веществ природного происхожденияИз Рисунка 1.3 видно, что с понижением нормальной температурыкипения рабочего вещества, удельная теплота парообразования снижается,следовательно низкотемпературные парокомпрессионные системы на хладонахвысокогодавлениябудутиметьнизкиепоказателиэффективности.Углеводородные и органические вещества имеют сходную удельную теплотупарообразования, которая в среднем выше, чем у хладонов (Рисунок 1.7).Природные рабочие вещества выгодно отличаются по данномупоказателю, что видно на Рисунке 1.7.Одноступенчатые парокомпрессионные машины позволяют эффективнополучать холод вплоть до температур порядка -35 °C (238 К) [17].