krio_bilety_poryadok (1171276), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Применение метода откачки, температрунаястратификация при откачке.Рисунок 110. Адиабатнаяоткачка паров.В результате работы ВН(вентиль) давление в ёмкостис жидкостью уменьшается, и температура жидкости становитсяравной температуре насыщения при данном давлении.С помощью откачки получают T вплоть до тройной точки.Откачка является основным процессом для получения =0,4 … 0,7К.
Рабочее вещество – гелий.Для определения зависимости величины понижения температурыот массы испарившейся жидкости воспользуемся уравнениемсохранения энергии, принимая следующие допущения:1) процесс откачки является равновесным, т.е. T жидкости во всёмобъёме в данный момент времени одинакова2) в процессе откачки нет уноса капель жидкости вместе с откачкойпаров3) T жидкости в любой момент времени равна T откачиваемогопара4) температура внутренней стенки криостата, где находятсяжидкость, равна температуре жидкостиКоличество теплоты, необходимое для испарения части жидкости,затрачивается на охлаждение жидкости, внутренней стенки икомпенсацию теплопритока из окружающей среды.∆: = (н − 0,5∆) ∆ + стст + о.с.∆ – масса испарившейся жидкости; н – начальная масса жидкости; – теплота испарения жидкости; – теплоёмкость жидкости;ст –масса стенки; ст – теплоёмкость стенки ;о.с.
– теплоприток изокружающей средыВеличины , , ст берутся в интервале температур н … к ∶ к = н −∆, т.е. осредняются.Рисунок 111. Откачкапаров.∆ =∆ − о.с.(н − 0,5∆) + стстПроцесс откачки часто применяется при транспортировке и хранениикриогенных жидкостей. После заполнения ёмкости криогеннойжидкостью, её откачивают до давления < атм . В процессе перевозкиза счёт теплопритоков происходит нагрев жидкости и кипение; идавление жидкости растёт. Основная проблема в процессе откачки –температурная стратификация.Рисунок 112.
Стратификация.3) Особенности ожижения неона,водорода и гелия.Для ожижения гелия могут быть использованы разнообразные системы.Как и в случае ожижения неона и водорода, для ожижения гелия может бытьиспользована система Линде-Хэмпсона.система Линде-Хэмпсонас предварительным охлаждением жидким азотом и жидким водородом.Система Капицы в которой используется азотная ванна и гелевый поршневойдетандер, заменяющий водородную ванну.Система Симона Гелиевая система ожижения Коллинза (1947).
Этотожижитель является развитием системы Клода. В зависимости от входного давлениягелия может использоваться от двух до пяти детандеров. Время охлажденияожижителя Коллинза снижается от 4 до 2 часов при использованиипредварительного охлаждения жидким азотом, который к этом уже увеличиваетожижительную эффективность системы (выход жидкости можно увеличить почтивтрое).Для ожижения неона и водорода используются следующие системы спредварительным охлаждением.Система Линде – Хэмпсона с предварительным охлаждением жидкимазотом. В принципе по температурным характеристикам могут использованы:фтор, кислород, воздух, метан, аргон и азот.
Но первые четыре взрывоопасны,аргон дорог, намного дороже жидкого азота.Система Клода может быть использована, но для повышенияэффективности установки целесообразно включать предохлаждение жидкимазотом перед дополнительным криогенным модулем детандерного типа.В системе ожижения неона или водорода может быть использованавспомогательная система с гелиевым рефрижератором.Гелиевый рефрижератор представляет собой модернизированный циклКлода.
В котором газ не ожижается, но имеет температуру ниже жидкоговодорода. Гелий сжимается, предварительно охлаждается в азотной ванне ирасширяется в детандере для получения низкой температуры.ВодородОбычный водород при нормальных условиях имеет двемодификации: ортоводород и параводород. Эти две модификацииразличаются направлением спина.При нормальных условия доля ортоводорода 75 %, параводорода –25%, при понижении температуры до 20 К доля параводорода растётдо 99,8 %.Орто-пара конверсия.Процесс идёт с выделением теплоты (706 кДж/кг при температуременее 70 К), что больше теплоты испарения.Потери жидкого водорода: 18 % за первые сутки, 40 % через 100часов.Поэтому при ожижении водорода в состав ожижителя входит ортопара конвертор на платиновых катализаторах, в которых теплотаорто-пара конверсии снимается теплотой испарения жидкоговодорода, охлаждающего конвертор.БИЛЕТ 41)2)3)БИЛЕТ 51)2)3)БИЛЕТ 61) Второй и третий законы термодинамики.
Теорема Нернста.Идеальная тепловая машина.Второе начало термодинамикиНельзя перенести теплоту с более низкого на более высокийтемпературный уровень, не совершив внешней работы.Третье начало термодинамики(закон Нернста)Связывает понятия нуля энтропии с абсолютным нулём температуры.Общеупотребимые термодинамические функции, такие каквнутренняя энергия, энтальпия, энергия Гиббса и Гельмгольцаявляются не абсолютными величинами, а относительными.Их абсолютная величина в разных справочных диаграммах итаблицах могут быть различны, но разность этих величин дляфиксированных параметров везде одинаковы.Теорема Нернста позволяет абсолютизировать величину энтропии вотличии от других функций состояния. Формулировка третьего законатермодинамики может быть следующей: энтропия любой равновеснойсистемы по мере приближения температуры к абсолютному нулюперестаёт зависеть от каких-либо параметров и стремиться копределённому пределу.ИДЕАЛЬНАЯ ТМЦикл Карно в координатах T—SПусть тепловая машина состоит из нагревателя стемпературой, холодильника с температуройи рабочего тела.
Цикл Карно состоит из четырёхобратимых стадий, две из которых осуществляютсяпри постоянной температуре (изотермически), адве — при постоянной энтропии (адиабатически).Поэтому цикл Карно удобно представить вкоординатах T (температура) и S (энтропия).1. Изотермическое расширение (на рис. 1 — процесс A→Б).2. Адиабатическое расширение (на рис. 1 — процесс Б→В).3. Изотермическое сжатие (на рис. 1 — процесс В→Г).4. Адиабатическое сжатие (на рис. 1 — процесс Г→А).2) Водород и его свойства. Орто-пара конверсия водорода.
Областиприменения водорода в науке и техники. Особенности ожижения.Водород.Получение: из природного газа или попутных нефтяных газов(каталитическая конверсия в водяном паре), электролиз воды (внебольших количествах). Самый лёгкий газ, горюч в присутствиивоздуха или кислорода – пожароопасен при 4-75%, взрывоопасен 1865%, особая опасность взрыва в жидком состоянии при контакте ствёрдым воздухом или кислородом.Обычный водород при нормальных условиях имеет две модификации:ортоводород и параводород.
Эти две модификации различаютсянаправлением спина.При нормальных условия доля ортоводорода 75 %, параводорода – 25%,при понижении температуры до 20 К доля параводорода растёт до 99,8%.Орто-пара конверсия.Процесс идёт с выделением теплоты (706 кДж/кг при температуременее 70 К), что больше теплоты испарения. Потери жидкого водорода:18 % за первые сутки, 40 % через 100 часов. Поэтому при ожиженииводорода в состав ожижителя входит орто-пара конвертор наплатиновых катализаторах, в которых теплота орто-пара конверсииснимается теплотой испарения жидкого водорода, охлаждающегоконвертор.Нормальный водород, имеющий равновесный орто-пара состав,соответствующий нормальным условиям имеет следующие свойства.ПараметрТемпература кипения ( 1 атм)Температура плавления (1 атм)Температура критической точкиДавление критической точкиТемпература тройной точкиДавление тройной точкиВерхняя температура инверсииПлотностьльдаВодород20,39 К13,96 К33,24 К1,297 МПа13,95 К7,2 кПа204 Ккг/м386,7жидкостигаза (при 293 К и 1 атм)Теплофизические свойства азота:70,80,08374Теплота испаренияТеплота плавленияТеплоёмкость жидкостиТеплоёмкость газа (при 293 К)Применение:447 кДж/кг58,7 кДж/кг9,7 кДж/кг*К14,85 кДж/кг*КТопливо в жидкостных ракетных двигателях;Вакуумные камеры (Т=20К);Водородные пузырьковые камеры;Перспективный заменитель угля и нефти (экологическое топливо);3) Работа регенеративного теплообменного аппарата в машине МакМагона-Гифорда.Рисунок 101.
Машина Гиффорда-Макмагона.газ изотермически сжимается в компрессорепоступает в ресиверчерез открытый клапан охлаждается в регенераторерасширяется путём выхлопа в расширительной части сподводом полезной тепловой нагрузкипод действием циклического движения поршня расширившийсягаз после подвода проходит через регенератор, охлаждая его ипроходя через открытый второй клапан при закрытом первом,поступает во второй ресивер и из него на всасывание в компрессорДостоинства: низкое давление газа (10 – 20 атм.) простота конструкцииНедостатки: большие размеры машины наличие системы переключающихся клапановОднопоточный регенератор.Цикл работы регенератораделится на 2 части:Прямое и обратное дутьё.При прямом дутье прямой потокпроходит через холоднуюнасадку и охлаждается.
Стечением времени насадкарегенератора начинаетнагреваться, в результате чегопрямой поток охлаждаетсяслабее, т.е. температурапрямого потока на выходе изрегенератора будетповышаться.Рисунок 9. Течение прямого потока через регенератор.При достижении максимально допустимо величины температурыпроисходит переключение режима работы регенератора, и насадканачинает охлаждаться при обратномдутье.Охлаждение насадки регенераторахарактеризуется температуройобратного потока на выходе из него.По мере охлаждения насадкитемпература обратного потока навыходе уменьшается и по мередостижения минимального значениянаступает переключение в режимпрямого дутья или резерва.Рисунок 10. Течение обратного потока в регенератореБИЛЕТ 71) Принцип возрастания энтропии как следствие 2 закона т-дВторое начало термодинамикиНельзя перенести теплоту с более низкого на более высокийтемпературный уровень, не совершив внешней работы.Рисунок 8.
Иллюстрация первого начала термодинамики на примереХМ.QT = L + QXНа иллюстрации ХМ для переноса теплоты (отвода теплоты) с болеенизкого температурного уровня ТХ на более высокий температурныйуровень ТТ.Холодильная машина работает по замкнутому циклу : изменениеэнергии за цикл равно нулю, поэтому для переноса теплоты с болеевысокого температурного уровня на низки уровень, то есть противестественного хода теплоты ( от источника с высокой температурой ктелу с низкой температурой) необходимо совершить внешнюю работу.Это является логическим следствием первого закона термодинамики ипозволяет ввести величину энтропии, изменение которой может бытьсвязано с изотермическим отводом и подводом теплоты.Функция состояния, определяющая меру «неупорядоченности» :dQT≤ dSДжкгdqДж≤ dsTкг ∙ К2) Гелий, его основные изотопы. Их краткая хар-ка, св-ва, облпримен. Особенности ожижИнертный газ, нетоксичен, не имеет цвета и запаха, аномально высокаятеплоёмкость и низкая плотность, сверхтекучести при температурахниже 2,17 К, наилучший теплоноситель в связи с высокимкоэффициентом теплопроводности как газа, так и жидкости,отсутствует кривая сублимации.Сверхтекучесть гелия: гелий начинает постепенно терять вязкость, т.е.становится как бы невязкой жидкостью, проходящей безгидравлического сопротивления через каналы и щели.Получение: из природного газа (не более 0,005%) последовательнойочисткой от углекислого газа, углеводородов, от азота, водорода идругих низкотемпературных примесей.Капица предложил двухжидкостную модель жидкого гелия при низкихтемпературах – состоит из сверхтекучей и обычной компоненты,причём с понижением температуры доля сверхтекучей компонентыувеличивается.Сверхтекучая компонента подчиняется закономерностями квантовоймеханики, что объясняет её свойства:Движение через микрощели (меньше 0,5 мкм);Термомеханическийэффект (движение сверхтекучей плёнки в направлении тепловогопотока);Аномально высокая теплопроводность сверхтекучегогелия, возникновение скачка температур на границе сверхтекучегогелия и твердого тела (сопротивление Капицы)ПараметрГелийТемпература кипения ( 1 атм)4,224 КТемпература плавления (1 атм)нет твердого состоянияТемпература критическойточки5,2014 КДавление критической точки0,2275 МПаТемпература тройной точкитройной точки не имеетДавление тройной точкитройной точки не имеетВерхняя температура инверсии46 КПлотностькг/м3льда190жидкости125газа (при 293 К и 1 атм)0,1663Теплофизические свойства азота:Теплота испарения20,8 кДж/кгТеплота плавления5,7 кДж/кгТеплоёмкость жидкости5,0 кДж/кг*КТеплоёмкость газа (при 293К)5,2 кДж/кг*КПрименение:Получение низких и сверхнизких температур; Криогенное обеспечениесверхпроводящих систем; Имитаторы космического пространства;Создание искусственной атмосферы; Транспорт, воздухоплавание;Помимо традиционного гелия-4 существует изотоп гелий-3,количество которого на несколько порядков меньше, чем гелия 4.Обладает теми же свойствами, что и гелий 4, и в перспективеможет быть использован как топливо в термоядерной реакциивместо водорода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
