Оборудование гелиевого ожижителя Г-45

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Получение температур ниже температуры Т_ос окружающей среды, как известно, может быть осуществлено только с затратой работы. Поэтому охлаждение какого-либо тела до Т₀ < Т_ос производится в конечном счете с использованием того или иного термодинамического цикла. Минимум работы, затрачиваемой на охлаждение, будет в тех случаях, когда для этих целей используются термодинамические обратимые циклы.

В качестве примера одного из таких циклов может служить обратный цикл Карно (рис. 1.1). Этот цикл состоит из 2-х изотерм (2-3, 4-1) и двух изоэнтроп (1-2-3-4).

Рис. 1.1. Принципиальная схема низкотемпературного цикла: а – схема установки; б - изображение в T-s диаграмме

Количество теплоты q₀, отведенной от охлаждаемого объекта в таком цикле, соответствует площади 4'-1'-1-4-4'. При этом затрачивается работа l, равная площади 1-2-3-4.

Количество работы l_уд, затрачиваемой для отвода единицы в обратном цикле Карно, определяется из уравнения

(1)

Как видно из уравнения (1), величина l_уд резко возрастает по мере снижения температурного уровня, стремясь в пределе к бесконечности при Т₀ >= 0. Уравнение (1) чаще используют в несколько ином виде

(2)

где τ_е - эксергетическая температурная функция. Выражением (2) определяется минимальная величина работы для отвода q₀ теплоты с температурного уровня Т₀. В реальном случае вследствие различного рода потерь величина l_р >> l, определяемой по уравнению (2).

Применительно к ожижителям охлаждаемым объектом является само рабочее тело, используемое в цикле. При этом ожижение (рис. 1.2) можно условно разделить на 2 процесса: охлаждение рабочего тела до температуры конденсации (процесс 1-2) и конденсацию (2-3). В обоих процессах, естественно, от рабочего тела отводится определенное количество теплоты, причем в процессе 1-2 отвод теплоты осуществляется при переменной температуре Т; в процессе конденсации при постоянной Т_S.

Рис. 1.2. Процесс ожижения газа в диаграмме Т-S

В соответствии с уравнением (2) величину работы, затрачиваемой на охлаждение газа от Т_ос до Т₀, можно определить следующим образом:

(3)

Величину работы, затрачиваемой на конденсацию газа можно определить по уравнению

(4)

Тогда минимальная суммарная работа ожижения газа, имеющего исходную температуру Т_ос, будет равна

(5)

Реальная затрата работы существенно превышает , определяемую по уравнению (5). Для гелиевых ожижителей, например, величина больше примерно в 10 раз и составляет около 16-32 кВт·ч/кг(He).

Заметим, что гелий наиболее трудно конденсируемый газ из всех криоагентов, его критическая температура Т_кр = 5,2K (Ркр = 0,225 МПа); а температура конденсации при атмосферном давлении (Р ~ 0,1 МПа) составляет 4,2K.

Схемы реальных установок для получения низких температур и, в частности, для ожижения газов существенно более сложные, чем изображенные на рис. 1.1. Это обусловлено рядом обстоятельств, которые рассмотрены ниже.

Следующая страница: 2.1. Принципиальная схема установки