Крутов В.И. - Техническая термодинамика (1062533), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Сухо$ насыщенный пар поступает в теплообменник 1П, подогревается до уровня Т, и в перегретом состоянии возвращается в компрессор, При этом для возобновления цикла в компрессор необходимо непре. рывво подавать дополнительное количество газа, равное массе полу. ченного жидкого продукта. Удельное количество теплоты, необходимое для перевода газа в, жидкое состоаниие, Равно Разности энтальпнй 1г — са, что эквивалентно пл. а15ас на зТ-диаграмме (рус. 158). Величина гь — 1ь зависит от температурьа Т, и физических свойств рабочего тела, ~5 Г 7 а Та с гг 5 а з Рис.
!58. Цикл холодильной установ. ки с дросселированнем нредварнтельио охлажденного газа Рис. 157 Схема холодильной установки с дросселнрованнем иредварительио охлажденного газа При закрытом вентиле И (рис. 157) цикл становится замкнутым. В этом случае количество теплоты дг (эквивалентное пл. 44'5'5) определяет холодопроизводительность цикла и должно подводиться к сосуду от охлаждаемых тел. Это количество теплоты определяется разностью энтальйий г; — га, а работа, затраченная на совершение цик, ла, 1„= д„— д„где д„— количество теплоты, отведенное в холодильнике и компрессоре.
Поскольку процессы теплообмена 2-8 и 5-1 гпроходят при постоянном давлении, то из теплового баланса теплообмеиника 11/ следует, что 1, — 1, = 1г — 1а. В это уравнение вместо а значения г', можно подставить энтальпию г„т. е. до и после процесса дросселирования 8-4 энтальпия рабочего тела не изменяется (г а = 1а). Следовательно, с1г г„— 1а = г, — 1,. Таким образом, холодопроизводительность рассматриваемого цикла численно равна понижению энтальпии газа 'при его изотермном сжатии.
Следует иметь в виду, что величина д, не зависит от температуры перед дроссельным вентилем, однако предварительное охлаждение сжатого газа в теплообменнике 1П позволяет понизить температурный уровень получаемого холода. 356 е к 9а//а (/ь /э)/ /1Т, (з, —.,) — (/, — а)1. Некоторые данные, характеризующие рассмотренный теоретический цикл при р, = О,! /у(Па, Т, = 293 К и различных давленйях р„ приведены в табл.
15 121. В качестве рабочего тела выбран воздух. Из таблицы видно, что эффективность рассмотренного цикла низка. В связи , а ' с этим цикл с дросселированием, 'несмотря на его простоту, пе мо- Рнс. 159 Йроцесс нзотермного сжатия гаа жет быть рекомендован для за а системе кооРдннат з, 1 крупных установок. По мере повышения давления р, холодопроизводительность цикла возрастает и достигает максимума при р„равном давлению инвер- сии р„. Это обьясняется тем, что при р, = р„изотермы в системе координат з, / имеют минимум (рис. 159), а минимум.энтальпии соответствует условию'(д(/дат.= Т вЂ” о (дТ/до)р — — О. Из я'-диаграм- мы.следует, что максимальная холодопроизводительность теорети- ческого цикла определяется разностью Знтальпий Эффективность рассмотренного цикла может бйть повышена раз- личными путями, например с помощью двойного дросселнровання я введения промежуточного охлаждения газа.
Циклы, основой которых является процесс дроаселирования рабо- чего тела, применяются для получения низкотемпературиого холода, получения сжижениых газов, а также разделения газовых смесей. Таблица 15 Даавые, аа рактереауюваке цИкл Давлеаке р„мца ео Холодопронзаоднтельность да, кДж/кг Изотераанзн работа сжатнн /„„кДж/кг Холодильный коэффициент ' ек !О' Наиболее низкая темпера: тура, которую можно волу,чнуь а цикле, Ть К 13,4 37,5 21,6 446 387 344 5,58 8,40 3,91 '82 82 8ае Учитывая, что в теоретическом цикле работа /„ равна работе изо'термного сжатия таза в компрессоре (см. процесс /-2 на рпс. 158), по-, лучим /„= дк — (/, — /э) = Т, (з — з,) — (/„— (а).
Это выражение дает возможность определить в виде отношения холодильный коэффициент теоретического цикла о дросселированнем предварительного охлажденного газа: в 436. Общие приципы и способы достижения сверхнизких температур Способы получения низких температур (жидкого гелия поряд.; ка 4 К) основаны на обратных термодииамических циклах. В них 4 температура рабочего тела понижается ниже температуры имеюще. ', -гося приемника теплоты в результате адиабатного расширения рабо.
' чего тела.с совершением внешней работы в детандере или без со. ' вершения внешней работы, как, например, при дросселироваиии, при ',. испарении в вакуум или растворении. Такие способы оказываются до-, статочно эффективными при условии, что' изменение объема рабочего, тела сопровождается значительным изменением его температуры (в адиабатных процессах) и энтропии (в изотермных процессах). Однако в области сверхнизких температур (ииже 4 К) уже ие остается рабочих тел, обладающих подходящими свойствами. (Если использовать кипение жидкого изотопа' Не в вакууме, то можно получить температуру порядка 0,3 К.) Для получения еше более низких температур приме.
ияются термодинамические. системы, в которых для изменения температуры и энтропии используются процессы, связанные с немехани-,' ческой работой. При этом общий принцип понижения температуры рабочего тела остается тем же, что и в термодеформационной системе.
На первой стадии процесса над телом совершается работа при.одновременном отводе теплоты к имеющемуся приемнику теплоты возможно более низкой температуры. В идеальном случае температура рабочего, тела остается постоянной и равной температуре приемника теплоты, а энтропия рабочего тела уменьшается. На второй стадии осуществляется адиабатный процесс, в котором происходит возвращение системы к первоначальному значению того параметра, который изменялся.на первой стадии процесса при подводе работы. При этом температура рабочего тела понижается ниже температуры использованного приемника теплоты..Эффект понижения температуры оказывается наиболее сильным, если процессы на обеих стадиях проводятся обратимо. На рис.
160, а изображена зТ-диаграмма процессов в термодеформациониой системе. На первой стадии производится изотермное сжатие рабочего тела от начального р, до некоторого конечного давления р, в процессе А-В. Температура рабочего тела при этом поддерживается постоянной за счет отвода теплоты к приемнику, имеющему температуру Т, (это может быть температура природной окружающей среды или же температура промежуточного охлаждения, осуществляемого холодильной машиной предыдущей ступени), В результате от-;: вода теплоты энтропия рабочего тела уменьшается на величину Л5л.с.
На второй стадии рабочее тело расширяется до первоначального давления ра (процесс В-С), в результате чего его температура понижается у до значения Тс. Если процесс расширения оказывается в той или иной - мере необратимым (В-С'), то как итоговое уменьшение энтропии о эА-с' так и понижение температуры Т, — Тс будут меньше, чем в случае равновесных процессов. Холодное рабочее тело с температу-„ эрой Тс может служить приемником теплоты для следующей, более, низкотемпературной ступени холодильной установки.
358 Для получения сверхнизких температур игпальзуетгя термомагяитная система, рабочим телом которой являются кристаллы парамагнитной соли, содержащей ионы трехвалеитиых металлов гадолиния, лселеза, хрома или церия. Благодаря наличию незаполненной внешней .электронной оболочки эти ионы обладают некоторым магнитным м ь ментом, поэтому их энергия может измшиться под воздействием внешнего магнитного поля. Напряженность магнитного поля можно ис, пользовать в качестве параметра, характеризующего нетепловое (маг: нитное) воздействие на систему при рассмотрении происходящих про: цессов в-энтропийной диаграмме (рис.
160, б), При отсутствии внецв аР 7 Тр Ю Т у с г Рнс. !60. Просесс охлажлепня вещества: а — путем апнабатпого расмнрсння с соаершенггем работы; б — путем алнабатного рааыагнныыаання парамагнетнна него поля (Но = О) магнитные диполи ориентированы хаотически, а кристалл в целом не обладает результирующим магнитным моменчттм (точка А). При увеличении напряженности поля до значения Н, происходит поворот диполей по направлению' поля,что приводит к увеличению внутренней энергии системы.
Прн отсутствии теплообмена это вызвало бы повышение температуры кристаллаы Если же кристалл находится в тепловом контакте с приемником теплоты, имеющим температуру Т„то намагничивание происходит изотермно (процесс А В), а энтропия кристалла уменьшается на величину ЬЯл.а.
На следучощей стадии кристалл изолируют от,теплообмена о окружающими те лами н производят его размагничивание уменьшением магнитного поля до нулевого значения (процесс В-С). Температура кристалла уменьшается до значения Тс ( Т,. Охлажденный таким образом кристалл либо сам служит для изучения свойств вещества при низких температурах, либо используется для охлаждения образцов других веществ, которые не обладают магнитныгтти свойствами и потому не могут быль охлаждены непосредственно описанным способом. Применяя охлажденный кристалл в качестве приемника теплоты с температурой То для другой термомагннтной системы, можно получить еще более низкую температуру охлаждения Тб (прпцессы А-В-С-О-Е).
д 359 Величина понижения температуры ЬТ = Ть — Тс может=быть рассчитана по известным магнитным свойствам применяемой парам аг. нитной соли с помошью дифференциальных термодинамнческих соот. ношений, записанных для термомагнитной системы. О учетом выражения (30) уравнение первого закона термодинами. ки (39) для термомагнитной системы получит вид ди „= — дд — д/я = = Тбь+ Н6М,„..Прн выборе алгебраических знаков в' уравнении учтено, что увеличение намагниченности (дМ„„~ О) соответствует увеличению внутренней энергии, т.
е. подводу энергии к системе в форме магнитной работы, Изменение энтальпни термомагнитной системы й,„= д (и,„— НМ„,„) = Тдь — М„,„дН. Отсюда следует соотношение Макс™велла (дТ/дН), = — (дМмаг/дь)ю (718) показывающее, что при обратимом изменении напряженности магнит- ного поля в теплоизолнрованной системе (ь = сонь() будет происходить изменение температуры, Заменяя в (718) производную по энтропии через производную по температуре, получим выражение для магнитокалорического диффе- ренциального эффекта, дающего относительное падение температуры при размагничивании „а„= (дТ/дН)' = — (дМ„„/дТ)ь (дТ/дь)я. В свою очередь, ' (дТ/дь) = (Т6Т/Тдь) = Т (дТ/дд)а = Т/ся, где с„— теплоемкость парамагнитной соли при постоянном значении напряженности внешнего магнитного поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
