Lektsii_Lavrova_NOK (1) (Все лекции )

Научные основы криологии.(лекционный курс д.т.н. Николая Алексеевича Лаврова)Лекция 1.Введение.Список литературы:1.2.3.4.Архаров А.М. «Основы криологии»Архаров А.М., Марфенина «Криогенные системы т.1»Архаров А.М., Беляков В.П. «Криогенные системы т.2»Архаром А.М., Микулин «Техника низких температур»Главы, охватываемые курсом:Температурные области техники низких температур.Применение низких температур.II.Основные рабочие вещества криогенной техники. Ихсвойства, получение и применение.III.

Основные термодинамические соотношения,используемые в технике низких температур.IV. Идеальные циклы для осуществления основныхпроцессов техники низких температур.V.Анализ основных потерь в низкотемпературныхциклах. Теорема Гюи-Стодолы.VI. Процессы понижения температуры.VII. Основные характеристики реальных циклов.VIII. Холодопроизводящие процессы. Теорема о полнойхолодопроизводительности цикла.IX. Основные циклы: дроссельные, в том числепарокомпрессионные, детандерные.X.Свойства веществ при низких температурах:теплоёмкость, теплопроводность,электропроводность, вязкость, прочностныехарактеристики твёрдых тел.XI. Уравнения состояния газов в различных формах.I.Практическое использование техники низких температур.Порядка 15-20% всей мировой электроэнергии тратится нанизкотемпературную технику.Области использования:1) Охлаждение, хранение и транспортировка продуктовпитания;2) Климатическая техника (система промышленного ибытового кондиционирования)3) Криомедицина4) Криоэлектроника (использование эффектасверхпроводимости)5) В экологических целях: утилизация отходов(автопокрышек), замораживание радиоактивных отходов(препятствование излучению), извлечение углеводородов(от топливных смесей) из воздуха.6) Очистка воды методом вымораживания.7) Сверхпроводящие устройства (токомаки,сверхпроводящие ускорители, магнито-газодинамическиегенераторы (МГД-генераторы осуществляют прямоепреобразование теплоты в электроэнергию), мощныесверхпроводящие магниты для сепарации руды,сверхпроводящие линии электропередач, транспорт намагнитной подушке.8) Производство кислорода для производствавысококачественной стали.9) Производство азота (хранение продуктов,осуществление холодной посадки натягом)10)Производство аргона, криптона, ксенона (ламповаяпромышленность, нейтральная среда в технологическихпроцессах)11)Производство водорода (химическаяпромышленность, восстанавливающая среда при пайке,топливо)12)Производство гелия (благодаря высокойтеплопроводности лучший теплоноситель, жидкийгелий, воздухоплавание)13)Производство сжиженного природного газа(транспортировка)Температурные области применения низкотемпературнойтехники.(263 К – 330 К) – область температур промышленногокондиционирования;(292 К – 297 К) – область температур комфортногожизнеобеспечения;(220 К – 280 К) – область температур хранения продуктовпитания и использования холодильных технологий;(165 К – 220 К) – область работы скороморозильных устройстви хранения биоматериалов;(менее 165 К) – область криогенных температур нижетемпературы жидкого ксенона;(10−8 К … 0,3 К) – сверхтекучие температуры.Лекция 2.Основные рабочие вещества криогеннойтехники, их свойства, получение иприменение.

Продукты разделения воздуха.Рисунок 1. P-V диаграмма с изображением фазовыхпереходов для однокомпонентного вещества.Пояснения к рисунку 1: кр – критическая точка, тр – тройнаяточка.Жидкое состояние может существовать при температурах нижетемпературы критической точки.При температуре ниже тройной точки жидкого состояния несуществует.Кривая конденсации – кривая фазового перехода газ – жидкость( кривая насыщенного пара)Кривая испарения - кривая фазового перехода жидкость – газ (кривая насыщенной жидкости)Переохлаждённая жидкость – жидкое состояние, имеющееболее низкую температуру, чем насыщенная жидкость при тоже давлении.Перегретый пар – газ, имеющий температуру несколько выше,чем насыщенный пар при том же давлении.Диаграмма состояния в P-T координатах.Рисунок 2.P-T диаграмма с изображением фазовыхпереходов для однокомпонентного вещества.При давлениях выше критического (закритических давлениях)переход из газообразного состояния в жидкое происходит безфазового перехода.

( нет раздела фаз, т.е. свойствагазообразного состояния и жидкого состояния резко неразличаются).Воздух и его компоненты.Основные компоненты: азот, кислород, аргон и водяной пар(водяной пар в дальнейшем рассматривать не будем)Азот.Инертен почти во всех случаях, нетоксичен, не обладает магнитнымисвойствами, не имеет запаха.ПараметрТемпература кипения ( 1 атм)Температура плавления (1 атм)Температура критической точкиДавление критической точкиТемпература тройной точкиДавление тройной точкиВерхняя температура инверсииАзот77 К63,2 К127 К3,4 МПа63,15 К12,5 кПа604 КАзот обладает наиболее низкой температурой кипения по сравнению вкислородом и аргоном, поэтому ,если жидкий воздух находится вкриогенном сосуде (Дьюаре), то по мере испарения воздуха в нём будетнакапливаться кислород и аргон, поскольку азот будет испарятьсянаиболее интенсивно ( фракционное испарение).Процесс выпаривания низкокипящего компонента из жидкой смесиназывается дистилляцией.Плотностьльдажидкостигаза (при 293 К и 1 атм)Теплофизические свойства азота:кг/м39478081,165Теплота испаренияТеплота плавленияТеплоёмкость жидкостиТеплоёмкость газа (при 293 К)Применение:199 кДж/кг25,8 кДж/кг1,82 кДж/кг*К1,046 кДж/кг*К Получение этилена, аммиака, удобрения; Защитная среда в химической и металлургическойпромышленности, среда для сварки и резки, среда для хранениясельхоз продукции; Криогенное обеспечение физико-технических исследований; Криобиология, криомедицина.Кислород.Химически активный газ, сильный окислитель, взрывоопасен всмесях с углеводородами, обладает парамагнитными свойствами.ПараметрТемпература кипения ( 1 атм)Температура плавления (1 атм)Температура критической точкиДавление критической точкиТемпература тройной точкиДавление тройной точкиВерхняя температура инверсииКислород90,188 К54,4 К154,78 К3,107 МПа54,36 К0,152 кПа771 КПлотностьльдажидкостигаза (при 293 К и 1 атм)Теплофизические свойства азота:кг/м3140011421,331Теплота испаренияТеплота плавленияТеплоёмкость жидкостиТеплоёмкость газа (при 293 К)Применение:212,7 кДж/кг13,95 кДж/кг1,696 кДж/кг*К0,922 кДж/кг*К Производство малоуглеродистой стали, цветных металлов исплавов; Газовая сварка и резка металлов; Аэрация и осветление сточных вод; Ракетная техника (окислитель); Микробиология и медицина; Химическая и нефтяная промышленность; Производство бумаги.АргонИнертный газ, нетоксичен, не имеет цвета и запаха.ПараметрТемпература кипения ( 1 атм)Температура плавления (1 атм)Температура критической точкиДавление критической точкиТемпература тройной точкиДавление тройной точкиВерхняя температура инверсииАргон87,29 К83,85 К150,72 К4,864 МПа83,81 К68,92 кПа765 КПлотностьльдажидкостигаза (при 293 К и 1 атм)Теплофизические свойства азота:кг/м3162414001,66Теплота испаренияТеплота плавленияТеплоёмкость жидкостиТеплоёмкость газа (при 293 К)Применение:163,02 кДж/кг29,55 кДж/кг1,14 кДж/кг*К0,523 кДж/кг*К Сварка и резка в защитной аргоновой среде; Металлообработка в аргоновой среде; Выращивание кристаллов и создание покрытий вполупроводниковой промышленности; Среда в лампах накаливания; В биологии, как среда для проращивания семян; В стеклопакетах (для уменьшения тепловых потерь через окна,более низкий коэффициент теплопроводности, чем у воздуха);НеонИнертный газ, нетоксичен, не имеет цвета и запаха.ПараметрТемпература кипения ( 1 атм)Температура плавления (1 атм)Температура критической точкиДавление критической точкиТемпература тройной точкиДавление тройной точкиВерхняя температура инверсииНеон27,108 К24,6 К44,45 К2,721 МПа24,56 К43,31 кПа230 КПлотностьльдажидкостигаза (при 293 К и 1 атм)Теплофизические свойства азота:кг/м3140012040,838Теплота испаренияТеплота плавленияТеплоёмкость жидкостиТеплоёмкость газа (при 293 К)Применение:85,7 кДж/кг16,62 кДж/кг1,82 кДж/кг*К1,039 кДж/кг*КЛамповая промышленность;Электровакуумные приборы;Электронная промышленность;Криогенная техника (термостатирование, охлаждениедетекторов инфракрасного излучения); Медицина (использование изотопов неона для диагностики);НеонИнертный газ, нетоксичен, не имеет цвета и запаха.ПараметрТемпература кипения ( 1 атм)Температура плавления (1 атм)Температура критической точкиДавление критической точкиТемпература тройной точкиДавление тройной точкиВерхняя температура инверсииНеон27,108 К24,6 К44,45 К2,721 МПа24,56 К43,31 кПа230 КПлотностьльдажидкостигаза (при 293 К и 1 атм)Теплофизические свойства азота:кг/м3140012040,838Теплота испаренияТеплота плавленияТеплоёмкость жидкостиТеплоёмкость газа (при 293 К)Применение:85,7 кДж/кг16,62 кДж/кг1,82 кДж/кг*К1,039 кДж/кг*КЛамповая промышленность;Электровакуумные приборы;Электронная промышленность;Криогенная техника (термостатирование, охлаждениедетекторов инфракрасного излучения); Медицина (использование изотопов неона для диагностики);ГелийИнертный газ, нетоксичен, не имеет цвета и запаха, аномальновысокая теплоёмкость и низкая плотность, сверхтекучести притемпературах ниже 2,17 К, наилучший теплоноситель в связи свысоким коэффициентом теплопроводности как газа, так ижидкости, отсутствует кривая сублимации.Сверхтекучесть гелия: гелий начинает постепенно терятьвязкость, т.е.

становится как бы невязкой жидкостью, проходящейбез гидравлического сопротивления через каналы и щели.Получение: из природного газа (не более 0,005%)последовательной очисткой от углекислого газа, углеводородов,от азота, водорода и других низкотемпературных примесей.Капица предложил двухжидкостную модель жидкого гелия принизких температурах – состоит из сверхтекучей и обычнойкомпоненты, причём с понижением температуры долясверхтекучей компоненты увеличивается.Сверхтекучая компонента подчиняется закономерностямиквантовой механики, что объясняет её свойства: Движение через микрощели (меньше 0,5 мкм); Термомеханический эффект (движение сверхтекучей плёнки внаправлении теплового потока); Аномально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия,возникновение скачка температур на границе сверхтекучего гелияи твердого тела (сопротивление Капицы)Рисунок 2. Термомеханический эффект: а – уровень жидкости всосуде с нагревателем Н выше, чем в сообщающемся с ним сосуде;б – фонтанирование гелия при освещении и нагреве порошка П,находящегося в сосуде со сверхтекучим гелием (В –гигроскопическая вата)ПараметрТемпература кипения ( 1 атм)Температура плавления (1 атм)Температура критической точкиДавление критической точкиТемпература тройной точкиДавление тройной точкиВерхняя температура инверсииГелий4,224 Кнет твердого состояния5,2014 К0,2275 МПатройной точки не имееттройной точки не имеет46 КПлотностьльдажидкостигаза (при 293 К и 1 атм)Теплофизические свойства азота:кг/м31901250,1663Теплота испаренияТеплота плавленияТеплоёмкость жидкостиТеплоёмкость газа (при 293 К)Применение:20,8 кДж/кг5,7 кДж/кг5,0 кДж/кг*К5,2 кДж/кг*КПолучение низких и сверхнизких температур;Криогенное обеспечение сверхпроводящих систем;Имитаторы космического пространства;Создание искусственной атмосферы;Транспорт, воздухоплавание;Помимо традиционного гелия-4 существует изотоп гелий-3, количествокоторого на несколько порядков меньше, чем гелия 4.