Криогенная техника: Методические указания и контрольная работа, страница 4

Вопросы и задания для самопроверки

1. Чем отличается схема идеального цикла термостатирования от схемы обратимого цикла для охлаждения газов?

2. Выведите выражение для расчета минимальной работы обратимого цикла термостатирования, ожижения и охлаждения.

3. Каким образом осуществить обратимый цикл ожижения газов?

4. Почему расход энергии на ожижение газов в обратном цикле Карно больше, чем в идеальном цикле ожижения?

5. Запишите уравнение для расчета холодопроизводительности нижней ступени рефрижераторного цикла с детандером. Сопоставьте это уравнение с аналогичным для нижней ступени с дросселированием.

6. Проанализируйте выражение для определения холодопроизводительности различных ступеней охлаждения ожижительных и рефрижераторных циклов.

3. ЦИКЛЫ  КРИОГЕННЫХ  УСТАНОВОК

Литература: [1] гл. 6, § 6.1–6.4, § 6.6; [4] гл. 1, § 1–2 ; гл. II, § 5; гл. III, § 7–8; [5] § 3.4–3.5 или [2] гл. 6.

Структура циклов,
выбор исходных данных для расчета

Современные криогенные установки предназначены для получения сжиженных криогенных газов или для криостатирования при низких температурах. Как правило, эти установки состоят из нескольких ступеней охлаждения. В этом заключается основная особенность криогенных ожижителей и рефрижераторов.

Начать изучение данного раздела необходимо с определения оптимальной температуры ожижения. В криогенной установке отвод теплоты осуществляется в несколько ступеней. Поэтому надо вывести выражение для зависимости расхода энергии от числа ступеней в ожижителе. В области ожижения водорода и гелия существенна зависимость работы от числа ступеней охлаждения. Для ожижения водорода, как правило, применяется две-три ступени, а для ожижения гелия – три-четыре.

В многоступенчатом цикле криогенной установки нельзя произвольно выбирать промежуточные температуры Ti включения ступеней охлаждения. Введение температурного уровня промежуточного охлаждения определяется с условием минимума потоков, направляемых во все детандеры.

Эта задача была впервые решена академиком П. Капицей для каскадного детандерного ожижительного цикла. Разберитесь, как применяются полученные результаты для рефрижераторных циклов и особенно для ступеней с дросселированием.

Перед началом расчета необходимо выбрать основные параметры цикла, допустимые потери, коэффициенты. Обоснуйте выбор давления прямого и обратного потоков газа в цикле, разности температур потоков на теплом конце теплообменника, притока теплоты из окружающей среды, гидравлических потерь и КПД машин.

Цикл с дросселированием

Данная группа циклов относится к числу наиболее распространенных в криогенной технике. Это обстоятельство вызвано исключительно простотой и надежностью в работе дроссельного устройства, что в значительной мере компенсирует недостатки процесса дросселирования, обусловленные его высокой необратимостью.

Первым в этой группе является цикл с простым дросселированием. Подробное изучение и анализ цикла дает в дальнейшем возможность разобраться в более сложных  циклах. Разбор данного цикла необходимо начать со схемы установки, работающей по этому циклу в рефрижераторном режиме, и с его изображения в s-T-диаграмме, после чего рассмотреть регенеративный принцип теплообмена, использованный при осуществлении цикла, и вывести выражения для удельной холодопроизводительности и расхода энергии в теоретическом случае. После этого цикл рассматривается с учетом потерь, которые имеют место в действительном случае. При рассмотрении ожижительного режима работы установки определяются удельный выход сжиженного криогенного продукта и расход энергии в теоретическом и действительном случаях.

Вторым в этой группе является цикл с предварительным охлаждением и дросселированием. В качестве источника промежуточного охлаждения сжатого газа может быть использована холодильная машина, газовая криогенная машина или сторонний криоагент. Так, например, для ожижения воздуха часто применяется холодильная машина, а для ожижения неона и водорода – жидкий азот. Включение в цикл источника предварительного охлаждения дает возможность повысить эффективность работы установки. Для ожижения гелия необходимо применять две или три ступени предварительного охлаждения (с температурами кипящего азота, водорода и водорода, кипящего под вакуумом).