Особенности низкотемпературной области. Некоторые понятия и определения

Термодинамические особенности низкотемпературных процессов. В окружающей природе высокие температуры могут возникнуть спонтанно (например, пожар), в то время как температуры более низкие, чем в окружающей среде (в природе), как правило не встречаются. Это особенность низких температур (Т<Т_ос), состоящая в том, что их получение и поддержание в принципе существенно труднее, чем проведение соответствующих процессов применительно к высоким температурам (Т>Т_ос).

В наземных условиях источниками энергии являются объекты (или системы) отличающиеся по каким-либо параметрам от равновесной окружающей среды. К таким объектам относится топливо, гидравлическая энергия, энергия глубинных слоев Земли, ядерные источники и т.д.

Независимо от способа использования энергии какого либо источника другим телом, энергия телу может быть только отдана. Подводя энергию, можно только нагреть тело, подняв его термический потенциал (Т), Для охлаждения нужно понизить температуру, т.е. отвести энергию теплового движения молекул, составляющих тело. Непосредственно в земных условиях природа не создала условий для такого процесса. Для внешнего охлаждения тела нужно создать другое тело с более низкой температурой и ему передать тепло от тела, которое нужно охладить. Эта ситуация определена в термодинамике как второе начало в первой его формулировке: тепло само собой переходит лишь от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, но никогда наоборот; некомпенсированный энергией от атономной системы переход тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой невозможен.

Таким образом, для получения низких температур необходимо создать искусственный процесс, конечными результатами которого был бы эффект существенного понижения температуры окружающей среды (Т<Т_ос), В конечном счете это означает реализацию процесса перехода энтропии в сторону противоположную обычного направления ее перноса (т. е.организовать процесс переноса энтропии от менее нагретого тела в окружающую среду: в сторону повышения температурного потенциала). Такой процесс может протекать только при затрате работы. Этот процесс реализуется в соответствующих системах. Нужно учитывать при создании таких систем, что многие термодинамические характеристики процессов существенно меняются при переходе в низкотемпературную область.

Взаимные превращения тепла и работы при обратимом круговом процессе определяется соотношением Карно

(1)

Здесь знак (-) показывает, что работа при подводе тепла к системе затрачивается, а не производится.

Или в более краткой форме

, где - энергетическая температурная функция.

Но при Т>Т_ос (высокотемпературные процессы) меняется в диапазоне: 1>, а при Т<Т_ос меняется в диапазоне: .

Это означает, что в низкотемпературной области работа, которую нужно затратить для отбора единицы тепла от объекта с температурой Т и передачи этого тепла окружающей среде, температура которой Т_о.с. > Т, может меняться в широком интервале от 0 до .

Чтобы отвести в окружающую среду 1 кДж тепла с уровня азотных температур (77К) нужно затратить ~2,9 кДж, с уровня водородных (20К) ~12 кДж, с уровня гелиевых (4,2К) ~79 кДж. Это говорит о том, что для низкотемпературных систем объективно характерно резкое увеличение удельных затрат работы по мере снижения уровня рабочих температур.

Особенностью является также то, что ряд эффектов, характеризующих процессы при низких температурах, существенно отличаются от таковых в аналогичных высокотемпературных процессах. Наиболее характерным в этом отношении может служить процесс дросселирования. В области высоких температур Т>Т_ос дросселирование рассматривается как процесс с нулевой положительной термодинамической эффективностью (сплошные потери). При температуре ниже Т_ос процесс дросселирования напротив, при определенных условиях служит высокоэффективным методом как понижения температуры рабочего тела, так и образования конденсированной фазы, т.е. дросселирование обеспечивает ожижение газа (получение криопродукта).

Некоторые основные термодинамические понятия низкотемпературной техники. Важнейшее место в низкотемпературной технике занимают два термодинамических понятия – "охлаждение" и "холод", а также их производные.

Понятие "охлаждение". Это понятие включает два различных вида процесса. Внешнее охлаждение – когда тепло Q отводится от тела (или к телу подводится холод). Внутренне охлаждение, когда тепло не отводится, а понижение температуры происходит за счет изменения термодинамического состояния рабочего тела. Представим эти процессы на диаграмме T-S. Внешнее охлаждение может характеризоваться изменением любых параметров, только энтропия тела будет умеьшаться.

Возможность понижения температуры тела (какого-либо вещества) без отвода от него тепла определяеься зависимостью, связывающей температуру с какими-либо двумя сопряженными параметрами состояния. Выбор одного из них определяется т ем, что при исследовании тепловых процессов неизбежно приходится пользоваться наряду с температурой (как термическим потенциалом) сопряженной с ней координатой – энтропией. Выбор второй величины определяется тем, в какой системе происходит изучение процесса охлаждения.

Так как криогеника связана прежде всего с газами, т.е. с деформационными системами, то второй величиной будет являться деформационный потенциал т.е. давление Р. Таким образом, Т = Т(S,Р). Именно эти параметры определяют процессы, показанные на рис. 1.

Процесс внутреннего охлаждения может происходить при постоянной энтропии (идеальный процесс) и с повышением энтропии (реальный процесс)

Рис.1. Процессы охлаждения: а) внешнее; б) внутреннее;

* - сжатие с охлаждением (например, в компрессоре)

Наиболее часто для внутреннего охлаждения используется понижение давления Р. Внутреннее охлаждение занимает особое место в низкотемпературной (в частности, криогенной) технике: на его использовании основаны все без исключения низкотемпературные системы. Поскольку наинизшая температура (температура окончательного охлаждения) может быть достигнута только посредством внутреннего охлаждения, любая криогенная система должна в том или ином виде содержать элементы, в которых происходит внутреннее охлаждение.

Процесс охлаждения может вестись как в стационарных, так и в нестационарных условиях. В низкотемпературной технике нельзя добиться полной тепловой изоляции объекта от теплопритоков от окружающей среды. Количество поступающего к объекту тепла должно быть меньше отводимого системой, производящей холод. Но часто встречаются случаи, когда необходим тепловой баланс. При этом энтропия объекта не меняется. Такой процесс в общем случае называется термостатированием, а в области криогенных температур - криостатированием.

Примером нестационарного состояния является пуск криогенной системы (например, заполнение криогенной жидкостью трубопровода), когда она из теплого (начального) состояния переходит в рабочее. Такой процесс нестационарного охлаждения трубопровода называют захолаживанием.

Понятие "холод". Понятие "холод" неразрывно связано с понятием "тепло", "Теплота", т.е. характеризует не состояние, а процесс. Понятием "холод" обозначается некоторый поток, противоположный по знаку тепловому потоку, идущему от охлаждаемого объема к низкотемпературной системе (генератору холода), и равный по абсолютной величине тепловому потоку. Другими словами, понятие "холод" представляет собой количественную характеристику процесса внешнего охлаждения.

Возникает вопрос, нельзя ли при работе с низкотемпературными системами отказаться от понятия "холод" и его производных (потери холода, захолаживание, холодопроизводительность), которые не представляют собой ничего другого в сравнении с известными понятиями:"тепло", "тепловая производительность", "потери тепла", -.но с обратным знаком.

Но процесс отвода тепла при Т>Т_ос принципиально отличается от того, который ведется при Т<Т_ос. Отличие определяется знаком работы. В первом случае подвод работы не требуется, наоборот, ее можно получить. Во втором случае необходима затрата работы, чтобы создать холодное тело для организации внешнего теплообмена объема с этим холодным телом.

Это положение иллюстрируется схемой на рис. 2.

Рис. 2. Схема процессов отвода тепла

Классификация криогенных систем по назначению.

В современной технике используются многочисленные типы криогенных систем различного назначения. Однако все их множество может быть по функциональному признаку разделено на три основных класса:

· Рефрижераторные системы (криорефрижераторы);

· Ожижительные установки (криоожижители);

· Разделительные установки (криоразделители смесей).

Криорефрижераторы (класс R). Системы класса R предназначены для отвода тепла от любых объектов в интервале температур, включающих Т<120К.

Криоожижитель (класс L). Системы класса L предназначены для перевода вещества из газообразного состояния с температурой, близкой к Т_ос, в конденсированное (твердое, жидкое или шугообразное) состояние при Т<120К.

Таким образом, область их применения несколько шире, чем только ожижение. Системы L могут быть одноцелевыми и многоцелевыми, т.е. можно, например, одновременно или поочередно ожижать два разных газа.

Разделительные установки (класс Д). Криогенные установки этого класса предназначены для низкотемпературного разделения газовых смесей, таких, как воздух, природный, коксовый попутный (нефтяной) и другие промышленные газы.

В тех случаях, когда один или несколько продуктов разделения должны быть получены в жидком (или твердом) виде, эта криогенная система должна выполнять и функции ожижителя, т.е. соответствовать классу ДL.