Lektsii_Lavrova_NOK (1) (1171797), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Процесс выхлопа.изоэнтропный, а затем отклоняется от изоэнтропы( )н – const – формула А.М. Архарова = () Рассмотрим термодинамическое описание процесса выхлопа.Рисунок 99. Схема выхлопа.Газ в процессе расширения совершает внешнюю работу противокружающей среды, поэтому конечное давление выхлопа равнодавлению окружающей среды.Рассмотрим изменение внутренней энергии в процессе выхлопа:Поскольку процесс адиабатный, то записываем первое началотермодинамики для закрытой системы. Получаем, что изменениевнутренней энергии газа равно совершенной работе.к − н = −к (к − н ) (работа совершается) = ℎ − (ℎк − к к ) − (ℎк − н н ) = −к (к − н )(ℎк − ℎн ) = к к − ? н − к к + к нℎк − ℎн = к н − н н (к − н ) = н (к − н )к = н −н( − к ) нк = н −н нк(1 − )нИдеальный газ: н н = нк = н −нк(1 − )н = − = − 1 −1==1− =к = н −−1к−1кн (1 − ) = н (1 −(1 − ))ннСравнение температуры в процессе выхлопа и изоэнтропномрасширении.Рисунок 100.

Интегральный эффект выхлопа.∆вых = н − к вых =∆ = н − к−1кн (1 − )?к= н − ( )н−1н = 300°Кк = 0,1 Мпа1) = 1,68 (одноатомный газ)0,30,40,5н , МПа 0,291,1 97,1∆вых, К 60,7 8173,39 108128,8 144∆ , К∆вых⁄∆ 0,827 0,752 0,707 0,6762) = 1,41 (двухатомный газ)1,0109,31820,60110120,22540,474н , МПа∆вых, К∆ , К∆вых⁄∆1,078,5146,40,5361086,4221,40,390,243,654,80,7960,358,282,10,7090,465,499,50,6570,569,8112,10,622С повышением степени расширения выхлоп становится менееэффективным по сравнению с изоэнтропным расширением. Поэтомувыхлоп в качестве рабочего процесса целесообразно применять прималой степени расширения.При использовании процесса выхлопа целесообразней использоватьодноатомный газ (инертные газы, He ?, с помощью которого можнодостичь наинизших температур 20-30°К)Использование выхлопа в качестве основного холодопроизводящегопроцесса реализовано в машине Мак-Магона – Гиффорда.Рисунок 101.

Машина Гиффорда-Макмагона.газ изотермически сжимается в компрессорепоступает в ресиверчерез открытый клапан охлаждается в регенераторерасширяется путём выхлопа в расширительной части сподводом полезной тепловой нагрузкипод 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 клапановРасширение сжатого газа в вихревой трубе (Эффект Ранка –Хилша)µ<0,5 (обычно)Рисунок 102.

Вихревая труба Ранка-Хилша.Сжатый газ, проходя через улитку расширяется; при этом взавихрённом потоке возникает температурное расслоениеразличных частей газа. В результате этого из вихревой трубывыходят два потока:1) имеет температуру более горячую, чемвходящий поток; 2) имеет температуру более холодную, чемвходящий поток;Рисунок 103. Вихревое расширение.Несмотря на отсутствие теории налажен массовый выпусквихревых труб (большей частью для высокотемпературныхобластей).Вихревая труба характеризуется эффективностью по сравнению сизоэнтропным расширением.Рисунок 105.

Сравнение вихревого расширения сизоэнтропным. =∆вихр∆Эффективность вихревой трубы обычно не превышает 0,2.Волновые криогенераторыГаз высокого давления подаётся через сужающееся устройство, вкотором возникает звуковая скорость. После этого происходитстоящая звуковая волна, один конец которой возникает при болеенизкой температуре, другой – при более высокой.Рисунок 106. Волновой криогенератор.В дальнейшем развитии волновых криогенераторов былиспользован эллипсоидный резонатор.Рисунок 107.

Эллипсоидный криогенератор.Обобщение адиабатных процессов расширения.Все процессы лежат в области снизу, ограниченные изоэнтропнымрасширением, а сверху – дросселированием.Рисунок 108. Область вихревого расширения.Рисунок 109. Работа волнового расширения.расш. = ℎн − ℎкЛекция 20Процесс откачки паров над зеркалом кипящейжидкости.17.11.2014Рисунок 110. Адиабатная откачка паров.В результате работы ВН давление в ёмкости с жидкостьюуменьшается, и температура жидкости становится равнойтемпературе 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 жидкостин – начальная масса жидкости – теплота испарения жидкости – теплоёмкость жидкостист – масса стенкист – теплоёмкость стенкио.с. – теплоприток из окружающей средыВеличины , , ст берутся в интервале температур н … к ∶ к = н −∆, т.е. осредняются.Рисунок 111.

Откачка паров.∆ =∆ − о.с.(н − 0,5∆) + стстПроцесс откачки часто применяется при транспортировке и хранениикриогенных жидкостей.После заполнения ёмкости криогенной жидкостью, её откачивают додавления < атм .В процессе перевозки за счёт теплопритоков происходит нагревжидкости и кипение; и давление жидкости растёт.Основная проблема в процессе откачки – температурнаястратификация.Рисунок 112. Стратификация.Вследствие ограниченной теплопроводности жидкости верхние слоибудут иметь наинизшую температуру, близкую к T насыщения придавлении откачки, а слои около дна – наивысшую.

Из-за разностиплотностей холодной и тёплой жидкостей происходит резкое падениеверхних охлажденных слоёв на дно криостата, что сопровождаетсяпрактически мгновенным испарением этой холодной жидкости ⇒ резкоувеличивается объём паровой фазы: насос не справляется с такимколичеством; происходит резкое повышение давления, приводящее кполомке криостата.Охлаждение с помощью барботированияБарботаж – движение газовых пузырей в слое жидкости или движение капельжидкости в объеме пара.Газ+ пары жидкостижидкостьГаз+ паржидкостьГазРисунок 113. Барботаж.1) Испарение из жидкости паров в газовую среду сопровождаетсяпонижением температуры2) Растворение газа в жидкость3) Выделение растворенных в жидкость газов в газовую средуРассмотрим процесс понижения температуры при барботаже в адиабатныхусловиях.t,°Cϕ =60%ϕ =80%ϕ =100%30h1  8025h2  602015h3  40кДжкгкДжкгкДжкгd,Рисунок 114.

t-d диаграмма.t,°Cϕ =100%Влажный воздухСухойвоздухтуманРисунок 115. Линия насыщенного пара.гкгt,°CtнtкНϕ =100%Кh=constdРисунок 116. Процесс барботажа.Адиабатическое охлаждение воздуха – процесс вблизи фонтана.t,°Cϕ =60%ϕ =80%Н 40t40t80ϕ =100%Н 80Кh=constd,гкгРисунок 117. Адиабатическое охлаждение воздуха вблизи фонтана.Пример:t,°Ctн  30С н  80%__________t  ?ϕ =80%кДж84кгϕ =100%30С27Сt  3Cd,гкгd,гкгt,°C30С16СНК44кДжкгtн  30С н  20%Процесс охлаждения с твердыми рабочими телами.1) Термоэлектрический эффект Пельтье.При подведении постоянного электрического тока к проводнику, состоящемуиз двух разных материалов, на одном спае происходит понижениетемпературы, на другом повышение.Тг2 мат.1 мат.Т х  Т о. с.ТхТ г  Т о.с.Рисунок 118.

Эффект Пельтье.Теплота, которая может быть подведена к холодному концу спая определяется последующей формеQх.о.  (1  2 ) ITх , где 1 ,  2 – величины термоэдс на теплом конце и холодных спаяхДанная величина Q х .о. является теоретической. Реальная холодопроизводительностьменьше на величину потерь Qх  Qх .о.

 (Q Дж  Q ) ,где Q Дж – Джоулева теплота, Q –теплопритоки от теплопроводности.Q Дж 1 2I R ;2Q  k (Т г  Т к ), k   Qх  (1   2 ) IТ х Sl1 2I R  k (Tг  Т х )2Т , КТ  Т о.с.  Т х60Qх  0Qх  1Вт40Qх  2 Вт20Qх  3ВтI, А4080Рисунок 119. Зависимость перепада температур от тока.1) С падением полезной холодопроизводительности увеличиваетсятемпературный перепад.2) Величина силы тока имеет оптимальное значение, при которомдостигается максимум перепада температур.3) Величина силы тока для термоэлектрического элемента имеет достаточнобольшие значения, т.е. для работы термоэлектрического элемента требуетсяспециальный источник постоянного тока.Материалы – полупроводники: Bi(Висмут),Te(Теллур),Sb(Сурьма).Основной недостаток – постоянный перепад температур между горячим ихолодным спаем.Для уменьшения тока и увеличения перепада температур используютсямногоступенчатые батареи термоэлемента.

С помощью такого способаможно получить температуру порядка 180К. Холодильный коэффициенттермоэлектрических холодильников крайне невелик – не более 15% дляодноступенчатого холодильника.2) Магнитокалорическое охлаждение.Ряд материалов, обладающих парамагнитными свойствами, вблизитемпературы точки Кюри обладают следующими свойствами – приналожении внешнего магнитного поля их температура повышается. Приснятии магнитного поля температура понижается. Подавляющеебольшинство таких веществ – соединения гадолиния.Т , К2QтПерепадтемператур приразмагничиваниинаходится винтервале от 0.3 до40К.В=3 ТлB=0 ТлТнТх314QхSРисунок 120. Магнитокалорическое охлаждение.Цикл КарноТ, КТгРабочийдиапазонтемпературот 1 до300К.В>032B=0 ТлТх41SРисунок 121. Цикл Карно.Используется как для получения сверхтекучего гелия, так и на уровнетемператур бытового холодильника.Различают двух типов действия: динамического и статического.Динамического действия – рабочий элемент передвигается из областинизкого магнитного поля в высокое и наоборот.QтB>0B-0QхСтатического – нет подвижных частей, а магнитное поле переменное.ТК материалы –резко меняющиетеплопроводность приизменениитемпературы.

Характеристики

Список файлов лекций