1 ГЛОССАРИЙ В настоящем УМК использованы термины с соответствующими определениями: Сопло – канал, в котором происходит расширение газа с уменьшением давления и увеличением скорости его движения. Сопло Лаваля – комбинированное сопло с суживающейся и расширяющейся частями, применяемое для получения скорости газа больше скорости звука. Температура инверсии – температура, соответствующая состоянию газа, при котором температура газа при адиабатном дросселировании не меняется. Эффект Джоуля-Томсона – изменение температуры газа в результате адиабатного дросселирования. Физическое подобие – соответствие между физическими процессами, выражающееся в тождественности их безразмерных математических описаний. Адиабатный процесс – процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой. Внутренняя энергия – это энергия хаотического движения молекул и атомов, включающая энергию поступательного, вращательного и колебательного движений как молекулярного, так и внутримолекулярного, а также потенциальная энергия сил взаимодействия между молекулами. Дросселирование – процесс понижения давления в потоке без совершения внешней работы и без подвода или отвода теплоты при прохождении через местное гидравлическое сопротивление. Идеальный газ – это теоретическая модель газа, в которой не учитываются взаимодействия частиц – молекул, представляющих собой материальные точки, не имеющие объема и сил межмолекулярного сцепления. Изобарный процесс – процесс, происходящий при постоянном давлении. Изотермический процесс – процесс, происходящий при постоянной температуре. Изохорный процесс – процесс, происходящий при постоянном объеме. Компрессор – машина для сжатия воздуха или газа до избыточного давления не ниже 0,2 МПа. Макроскопическая система – это любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем много больше размеров молекул и атомов. Необратимый процесс – процесс, который может самопроизвольно протекать только в одном направлении. Неравновесный процесс – процесс, включающий неравновесные состояния. Обратимый процесс – процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем при возвращении в первоначальное состояние система проходит все равновесные состояния прямого процесса, но в обратном направлении. Параметры состояния – физические величины, однозначно характеризующие состояние термодинамической системы и не зависящие от предыстории системы. Работа – передача энергии в результате макроскопического упорядоченного движения микрочастиц. Рабочее тело – газообразное, жидкое или плазменное вещество, с помощью которого осуществляется взаимное превращение теплоты и работы. Политропный процесс – процесс, который протекает при постоянной теплоемкости и который вызван подводом или отводом теплоты. Равновесный процесс – процесс перехода термодинамической системы из одного равновесного состояния в другое, настолько медленный, что все промежуточные состояния можно рассматривать как равновесные. Термодинамический процесс - это переход системы из одного равновесного состояния в другое. Холодильный коэффициент показывает, какое количество теплоты отнимается от теплоприемника при затрате одной единицы работы. Холодильный цикл – обратный круговой процесс, предназначенный для передачи теплоты от тел менее нагретых к телам более нагретым. Цикл Карно – обратимый круговой процесс, в котором совершается наиболее полное превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). 2 ЛЕКЦИИ Лекции – форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме. Модуль 1. Основные элементы криогенных систем Лекция 1. Введение. 1 час; 1 неделя Вопросы 1 Введение. 2 Основные этапы развития криогенной техники. 3 Современные области, в которых находит применение криогенная техника. Криогенная техника – самая молодая отрасль холодильной техники. Развитие криогенной техники тесно связано с прогрессом новых отраслей промышленности. Интенсивное развитие криогенной техники в значительной степени обязано широкому использованию продуктов разделения воздуха, природного газа и различных газовых смесей в химической, металлургической и других отраслях промышленности. Слово «криогеника» обозначает буквально «производство ледяного холода»; однако этот термин используется сегодня как синоним низких температур. Принято считать, что область криогеники начинается с температуры ниже минус 150 °С (123 К). Это логически обоснованная разделительная линия, так как нормальные точки кипения газов, таких, как гелий, водород, неон, азот, кислород и воздух, лежат ниже минус 150 °С, в то время как фреоновые хладагенты, сульфид водорода, аммиак и другие обычные хладагенты кипят при температурах выше минус 150 °С. Положение и границы области криогеники показаны на логарифмической шкале рисунке 1.1. Область криогенной техники охватывает разработку и улучшение низкотемпературной технологии, процессов и оборудования. В отличие от физики низких температур криогенная техника занимается главным образом практическим использованием низкотемпературных явлений, а не фундаментальными исследованиями, хотя четкую линию раздела между этими двумя областями провести не всегда возможно. Рисунок 1.1. Диапозон криотемператур Современные применения криогенной техники существенно отличаются как но масштабу, так и по важности. Из областей, в которых находит применение криогенная техника, можно назвать: Системы ракетных двигателей. Все крупные космические корабли США используют в качестве окислителя жидкий кислород. В двигательной системе «Шаттл» используются две криожидкосги жидкий кислород и жидкий водород. Исследования в области физики высоких энергий. В водородной пузырьковой камере используется жидкий водород при обнаружении и изучении частиц высоких энергий в больших ускорителях частиц. Электроника. Чувствительные микроволновые усилители, называемые мазерами, охлаждаются до температур жидкого азота или жидкого гелия так, чтобы тепловые колебания атомов элемента усилителя серьезно не изменялись при абсорбции и эмиссии микроволновой энергии. Мазеры, охлаждаемые до криотемнератур, используются в датчиках ракет, в радиоастрономии для прослушивания далеких галактик и в системах космической связи. Крошечные сверхпроводящие элементы SQUIDs были применены как сверхчувствительные цифровые магнитометры и вольтметры. Эти приборы основаны на сверхпроводящем явлении, называемом эффектом Джозефсона, который вызывает квантовомеханическое шунтирование электронов от одного сверхпроводника до другого через изолирующий барьер. В дополнение к SQUID явление сверхпроводимости используется в работе других электронных приборов, таких, как сверхпроводящие усилители, выпрямители, трансформаторы и магниты. Сверхпроводящие магниты были использованы для создания сильных магнитных полей, необходимых для систем МГД, линейных ускорителей и токамаков. Сверхпроводящие магниты были использованы для подвески высокоскоростных поездов со скоростями до 500 км/ч. Механическая конструкция. На основе использования эффекта Мейснера, связанного со сверхпроводимостью, были сконструированы подшипники практически с нулевым трением, в которых магнитное поле служило смазкой вместо масла или воздуха. Были сконструированы сверхпроводящие двигатели для привода судовых двигателей, у которых практически отсутствовали электрические потери. Были разработаны также гироскопы с чрезвычайно малым дрейфом. Моделирование космических условии и техника высокого вакуума. Для создания вакуума, который приближался к вакууму космического пространства (от 10-10 до 10-12 Па), одним из наиболее эффективных методов является использование низких температур. Криооткачка, или вымораживание остаточных газов, используется для создания ультравысокого вакуума, требуемого для камер, моделирующих космические условия, и для испытательных систем. Холод свободного космоса моделируется охлаждением экрана, помещенного внутри камеры, с помощью жидкого азота. Для охлаждения криопанелей, которые вымораживают остаточные газы, используется плотный газообразный гелий при температуре ниже 20 К или жидкий гелий. Применение в биологии и медицине. Использование криогеники в биологии или криобиологии сулит много интересного. Охлаждаемые жидким азотом контейнеры используются для долговременного сохранения крови, тканей, костного мозга и спермы животных. Криохирургия была применена для лечения болезни Паркинсона, в хирургическом лечении глаз и лечении пораженных органов и тканей. Такие хирургические операции имеют много преимуществ по сравнению с обычной хирургией во многих областях применения. Хранение пищевых продуктов. Применение замораживания как средства сохранения пищевых продуктов началось еще в 1840 г. В настоящее время замороженные продукты приготавливаются так: продукты в картонной упаковке ставятся на ленту конвейера, который движется сквозь ванну с жидким азотом или охлаждаемый газообразным азотом тоннель. В результате первоначального контакта с жидким азотом замораживаются все открытые поверхности, что обеспечивает сохранение вкуса и аромата. Криообрабогка занимает всего 7 мин по сравнению с (30 ÷ 40) мин при обычных методах. Жидкий азот использовался как охладитель в автомобилях и железнодорожных вагонах при транспортировке замороженных продуктов. Технологические процессы. Кислород широко используется как важный компонент на разных стадиях выплавки стали. Криогенные системы используются при производстве аммиака. Форму сосудам давления придавали, помещая подготовленный цилиндр в матрицу (штамп), охлажденную до температуры жидкого азота. Газообразный азот под высоким давлением выпускался в сосуд до тех пор, пока контейнер не удлинялся примерно на 15 %; после этого сосуд извлекался из матрицы и нагревался до комнатной температуры. В результате использования такого метода предел текучести материала повышался на (400 ÷ 500) %. Повторное использование материала. Наиболее трудными для повторного использования изделиями являются автомобильные или тракторные шины. При замораживании шин в жидком азоте резина становится хрупкой и может быть раздроблена на мелкие кусочки. Корд и металлические детали перерабатываемой шины могут быть легко отделены от резины, и кусочки резины могут быть использованы снова для других целей. В настоящее время только с помощью криогенной техники можно успешно повторно использовать резину от шин со стальным радиальным кордом. Это лишь небольшой перечень областей, включающих криогенную технику, которая постоянно развивается и находит новые приложения. Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции: Криогенная техника; криогеника; криотемпература. Вопросы для самоконтроля 1 Что такое криогенная техника? 2 Укажите диапазон криотемператур? 3 Чем отличается криогенная техника от низкотемпературной? 4 Перечислите основные этапы развития криогенной техники; 5 Перечислите современные области, в которых находит применение криогенная техника. Рекомендуемые источники 1 Кочнева С.В. Основы криогенной техники. Бишкек: ИЦ «Техник» – 2009 – 64 с. 2 Лось В.И. Конспект лекций по дисциплине «Криогенная техника» для студентов специальности «Холодильные машины и установки». Под ред. проф. В.А. Наера. Одесса – 2002. – 80 с. 3 Архаров А.М., Архаров М.А., Беляков В.П. и др. Криогенные системы. Том 2. /Под ред. Архарова А.М. и Смородина А.И. - М. «Машиностроение», 1999 г. – 720 с.
