Криогенные жидкости. криогенные жидкости. Криогенные жидкости Белгородская область г. Старый Оскол моу сош 27 с углубленным изучением отдельных предметов Учащиеся 11 Б класса Берлизева Мария, Чечехина Ирина. Содержание

• Название: Криогенные жидкости Белгородская область г. Старый Оскол моу сош 27 с углубленным изучением отдельных предметов Учащиеся 11 Б класса Берлизева Мария, Чечехина Ирина. Содержание
• Анкор: Криогенные жидкости
• Дата: 24.05.2022
• Размер: 3.82 Mb.
• Имя файла: криогенные жидкости.docx
• Тип: Реферат; #547580

Криогенные жидкости

Белгородская область г. Старый Оскол

«МОУ СОШ №27 с углубленным изучением отдельных предметов»

Учащиеся 11 «Б» класса : Берлизева Мария, Чечехина Ирина.


СОДЕРЖАНИЕ

• 
  Введение…………………………………………………………………………………2
  
• 
  Области использования криогенных температур………………………………….5
  
• 
  Физические основы ожижения газов………………………………………………...9
  
• 
  Основные свойства криогенных жидкостей………………………………………16
  
• 
  Резервуары используемые для хранения криопродуктов……………………….20
  
• 
  Литература……………………………………………………………………………..23
  
• 
  ВВЕДЕНИЕ
  

Одной из черт современного научно-технического про­гресса является все возрастающее использование в нау­ке и технике так называемых криогенных систем и тех­нологий. Слово «криогенный» В переводе с греческого означает «производящий холод». Этим термином при­нято сейчас обозначать процессы и устройства, работа­ющие при температурах существенно ниже температур

окружающей нас среды. ,

Состояние и свойства всех веществ зависят в первую очередь от их температуры и' давления, причем главную

роль обычно играет температура.

Как известно, температура вещества определяется интенсивностью беспорядочного движения составляющих его молекул и атомов. Чем интенсивнее, быстрее движут­ся молекулы и атомы внутри тела, тем выше его тем­пература. По мере охлаждения тепловое движение мо­лекул и атомов постепенно замедляется и, наконец, при температуре -273,15 ос совершенно прекращается *. Дальнейшее понижение температуры уже невозможно, так как запас тепловой энергии тела полностью исчер­пан. Низшую возможную, температуру называют аб­солютным нулем и принимают за начало отсчета шкалы абсолютных температур. Первое определение абсолютно­го нуля дал М. В. Ломоносов - оно приведено в эпи­графе.

В отличие от температур по принятой в повседнев­ном обиходе шкале Цельсия, обозначаемой ОС, темпе­ратуру, отсчитываемую от абсолютного нуля, обознача­ют буквой "К" в честь Кельвина, предложившего абсо­лютную шкалу в 1848 г. Численная разница в отсчетах по обычной стоградусной шкале Цельсия и по абсолют­ной шкале Кельвина равна 273,15°С. Таким образом, комнатная температура в 20 ^оС равна по абсолютной шкале 293,15 К, а сильный мороз в -40°С., по абсо­лютной шкале будет 233,15 К.






. На рис. 1 представлена в логарифмическом масшта­бе шкала абсолютных температур с обозначением ха­рактерных температур некоторых физических объектов и процессов.

Криогенными называются температуры ниже 120 К, и именно они играют все б6льшую роль в развитии ес­тественных наук и в технических приложениях. Эти температуры обеспечивают уникальные возможности для исследований свойств материи и открытия новых явле­ний, скрытых при более высоких температурах тепловым движением молекул. При значительном понижении температуры проявляются новые специфические криоген­ные свойства вещества, как, например, сверхпроводи­мость, сверхтекучесть жидкого гелия, эффект Джозеф­сона и др.

Непрерывно увеличиваются области практического применения криогенных температур. Экспериментальная физика и энергетика, химия и металлургия, биология и медицина, электроника и радиотехника, авиация и кос­монавтика, сельское хозяйство и пищевая промышлен­ность во все возрастающих масштабах используют кри­огенные методы и продукты. Образовалась самостоя­тельная быстро развивающаяся отрасль промышленнос­ти - криогенное машиностроение, обеспечивающая обо­рудованием новые технологические процессы в науч­ных и промышленных отраслях, определяющих совре­менный научно-технический прогресс. Более того, це­лый ряд новейших, прогрессивных технологий (напри­мер, основанных на использовании сверхпроводимости) может быть осуществлен пока только при криогенных температурах.

В научных исследованиях и многочисленных практических случаях охлаждение до криогенных темпера­тур проще всего проводить с помощью жидкостей, ки­пящих при температурах ниже 120 К. Такими криоген­ными жидкостями могут быть ожиженные газы - азот, аргон, водород, гелий, неон, кислород, метан, окись уг­лерода. Из перечисленных веществ наибольшее практическое распространение в качестве охлаждающих сред получили жидкие азот, водород и гелий.

По физическим методам получения всю область кри­огенных температур можно разделить на две части: от120 до 0,3 К и ниже 0,3 К. Температуры ниже 0,3 К час­то называют сверхнизкими или ультра низкими. Тем­пературы до 0,3. К наиболее. Удобно получать с помощью испарения криогенных жидкостей, причем в соответ­ствии с используемой жидкостью различают области азотно-кислородных температур (90 - 65 К), водо­родно-неоновых (30-15 К) и гелиевых (5-0,3 К).

Для достижения сверхнизких температур - ниже

0,3 К, когда способ испарения жидкости уже не приго­ден, применяют другие физические методы, а именно растворение гелия-3 в гелии-4 и адиабатическое размаг­ничивание. Однако и в области сверхнизких температур предварительное охлаждение производят за счет крио­генных жидкостей.

Таким образом, основой поддержания и использова­ния криогенных температур является производство сжи­женных газов с низкими температурами кипения.

В настоящее время в промышленном масштабе про­изводятся и продаются жидкие азот, кислород, аргон, водород и гелий. Планируется наладить и промышлен­ное ожижение неона, являющегося перспективным крио­агентом ближайшего будущего, способным в ряде слу­чаев заменить дорогостоящий жидкий гелий и взрыво­опасный водород.

Изложению физических основ получения, хранения и использования криогенных жидкостей и будет посвя­щена наша брошюра.
ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
В последние два десятилетия криогенные темпера­туры получили столь широкое распространение, что за­труднительно найти крупную отрасль научных исследо­ваний или новой техники, где бы они ни применялись. Поэтому укажем только основные направления совре­менного использования криогенных температур.

Проведение фундаментальных и прикладных научных исследований. Интерес исследователей к криогенным температурам связан в первую очередь с их сильней­шим воздействием на свойства веществ и с возможнос­тью открытия новых специфически низкотемпературных явлений, о чем уже упоминалось ранее. Обнаружению новых свойств и явлений способствует громадная об­ширность области криогенных температур. Действитель­но, температура на поверхности Солнца, равная по абсолютной шкале 6000 К, всего лишь в 20 раз выше ком­натной (300 К), в то время как с помощью жидкого ге­лия сравнительно просто получают температуры окопо1 К, что в 300 раз ниже комнатной. А во многих лабо­раториях исследования ведутся при температурах по­рядка 0,3 К, т. е. в 1000 раз ниже комнатной. Открытые при криогенных температурах новые свойства веществ существенно расширяют возможности познавания фун­даментальных законов природы, а изменение физичес­ких и технических характеристик веществ посредством криогенных температур позволяет полнее использовать их свойства.

Особенно широко криогенные температуры применя­ются для экспериментов в физике твердого тела, элек­тронике, оптике, ядерной физике, а в последнее время ­в химических и биологических исследованиях. Криоген­ные температуры существенно улучшают работоспособ­ность и эффективность квантовых усилителей и генера­торов (мазеров и лазеров), во много раз повышают чув­ствительность приемников излучения, электронных и других приборов, помогают получать сверхвысокий ва­куум и сверхчистые вещества, разделять изотопы и Т. д. При прогнозах будущего развития науки американские эксперты ставят криогенные исследования по их значе­нию и перспективам на третье место после термоядерного синтеза и решения проблемы рака.

Обеспечение работоспособности сверхпроводящих магнитов и различных устройств на основе сверхпроводимости. Сверхпроводимостью называется способность веществ (металлов, сплавов, химических соединений) пропускать электрический ток без сопротивления. По значению и перспективам использования сверхпроводи­мость является одним из наиболее значительных и важ­ных физических явлений.

Сверхпроводимость была открыта Камерлинг-Онне­сом в 1911 г. на ртути, охлажденной жидким гелием до 4,15 К- За 75 лет, прошедших с этого времени, было от­крыто и создано свыше тысячи сверхпроводящих ве­ществ и соединений, но температура их перехода из нор­мального в сверхпроводящее состояние оставалась очень низкой и не превышала 24 к­

В 60-х годах американским физиком В. Литтлом и советским академиком В. Л. Гинзбургом были выдви­нуты интересные идеи о возможности существования вы­сокотемпературной сверхпроводимости. Однако в тече­ние последних 20 лет интенсивные поиски высокотем­пературных сверхпроводников оставались безуспешны­ми. И хотя ежегодно открывались все новые сверхпро­водящие вещества, но температура сверхпроводящего перехода увеличивалась очень медленно, примерно на несколько десятых градуса в год. Положение стало рез­ко меняться с середины 1986 г., когда почти одновремен­но в Швейцарии, США и Японии у металлокерамик сос­тава лактан - барий - медь - кислород была обна­ружена сверхпроводимость при 32-36 К. С начала же1987 г. стали появляться одно за другим сенсационные сообщения из лабораторий многих стран (США, СССР, Японии, КНР и др.) о получении сверхпроводящих пе­реходов при температурах 70, 90 и даже 250 К. Физики всего мира были возбуждены, как никогда ранее.

Громадный интерес к высокотемпературной сверх­проводимости связан с непрерывно возрастающими изгода в год масштабами использования сверхпроводящихустройств, несмотря на их большую стоимость и доро­гостоящую эксплуатацию. Уже созданы крупные сверх­проводящие магниты с напряженностью магнитного по­JIЯ в сотни И более килоэрстед, необходимые для уста­новок термоядерного синтеза, МГД-генераторов, уско­рительных устройств ядерной физики, решения рядакрупных проблем современного научно-технического про­гресса. Большие надежды связываются с созданиеммощных электрогенераторов и двигателей со сверхпро­водящими обмотками ( в СССР уже испытан такой ге­нератор мощностью 20 тыс. кВт), сверхпроводящих ли­ний электропередач, накопителей энергии, сверхбыстро­действующих ЭВМ и т. д. Сверхпроводимость позво­ляет создавать приборы высочайшей чувствительности, не достигаемой другими методами.

Сейчас все практические сверхпроводящие устройст­ва работают только на жидком гелии, температура ки­пения которого всего лишь на 4 градуса выше абсолют­ного нуля, а теплота испарения очень мала. Переход на охлаждение даже жидким неоном (температура кипе­ния, 27 К) был бы большим успехом. Создание же мaтe­риала, технологически пригодного для изготовления крупных изделий и обладающего сверхпроводимостью при температуре жидкого азота, произвело бы револю­цию в современной технике. Основания для такого ут­верждения следующие.
Затраты энергии на поддержа­ние «гелиевых» температур во много раз выше, чем «азотных» (теоретически в 25 раз, а практически еще более). Теплота испарения 1 кг жидкого азо­та почти в 10 раз больше, чем гелия, т. е. количество криогента, необходимого для поддержания работоспо­собности сверхпроводящей системы, будет существенно меньше. Таким образом, возможность использования в технической сверхпроводимости жидкого азота вместо гелия дает двойной выигрыш: резко уменьшаются и энер­гопотребление криогенных установок, и стоимость ох­лаждающей среды

Открытие сверхпроводимости при температурах выше температуры кипения жидкого азота можно отнести к числу самых крупных достиже­ний ХХ века.

Разделение углеводородных газовых смесей, природ­ных и промышленных, с целью извлечения водорода, ге­лия, метана и других газов, являющихся сырьем для хи­мической промышленности. Потребность в этих газах непрерывно растет, и потому непрерывно увеличиваются количество и мощность соответствующих установок. Кри­огенные методы в процессах разделения газовых сме­сей занимают одно из главных мест.

Разделение стабильных изотопов газов. С помощью низкотемпературной ректификации можно эффективно разделять изотопы водорода, кислорода, азота, аргона и других газов. Особо важное значение имеет промыш­ленное извлечение дейтерия из жидкого водорода.

Ожижение азота, гелия, кислорода, природного газа с целью их хранения и транспортировки к местам пот­ребления, где они обычно используются в газообразном виде. Выгодность транспортировки газа в жидком виде связана с тем, что при ожижении объем газа уменьша­ется в 700-1000 раз, что дает большую экономию тран­спортных средств. В особо крупных объемах транспор­тируется ожиженный природный газ (основной компо­нент - метан), играющий все большую роль в энерге­тическом балансе развитых стран.

Для сухопутных перевозок ожиженных газов исполь­зуются авто- и железнодорожные цистерны, а для мор­ских перевозок сжиженного природного газа - специ­альные океанские танкеры. Ежегодно флот таких тан­керов растет, причем за последнее десятилетие среднее водоизмещение их увеличилось с 40 до 100 тыс. кубо­метров.

Ожижение водорода с целью использования его как ракетного топлива, а также для заполнения жидководо­родных камер при ядерных исследованиях. Потребнос­ти ракетной техники в жидком водороде столь значи­тельны, что производительность водородоожижительныхустановок, например в США, достигает громадной ве­

личины - 60 т в сутки.

Очистка газов. Получение чистых газов являяется од­ной из важнейших задач современной техники. Крио­генные способы очистки - вымораживание и адсорб­ция при низких температурах -относятся к наиболее эффективным и все чаще вытесняют другие способы очи­стки.

Получение высокого вакуума. Использование криоген­ных адсорбционных и конденсационных насосов позво­ляет получить наиболее высокий и чистый (безмасля­ный) вакуум. Для охлаждения адсорбционных вакуум-насосов чаще всего применяется жидкий азот, конден­сационных -жидкий гелий.

Имитация космоса. При разработке космической тех­ники широко применяются так называемые криотермо­вакуумные установки (КТВУ) , позволяющие моделиро­вать работу различных изделий в условиях космическо­го полета. Охлаждаемые криогенными жидкостями ва­куум-насосы, экраны, системы теплоотвода и т. д. яв­ляются обязательными частями этих установок.

Хранение и транспортировка мяса, рыбы и других продуктов. Использование жидкого азота для сохране­ния потребительских качеств продуктов дает лучшие ре­зультаты, чем фреоновое или аммиачное охлаждение.

В биологии и медицине все шире используется спо­собность криогенных температур замедлять химические и биологические реакции. Так, жидкий азот применяется для длительного хранения крови, отдельных органов, спермы элитных животных. В медицинской практике для операций с успехом используются инструменты с крио­генным охлаждением, дающие возможность локального замораживания удаляемых участков органов. По утвер­ждению медиков, криохирургия имеет очень хорошие перспективы.

. Каждый год появляются все новые области примене­ния криогенных температур или расширяются уже из­вестные. В ряде случаев использование криогенных тем­ператур приобрело такой размах, что образовались са­мостоятельные научно-технические специализации, как, например, «криогенная электроника», «криобиология», «космическая криогеника» и т. д. Нет сомнения, что ис­пользование криогеники в науке, промышленности, сель­ском хозяйстве, медицине будет расширяться,

физические основы ожижения газов

Идеальный цикл ожижения. Для перевода газа в жидкое состояние его необходимо охладить до темпе­ратуры кипения (она всегда ниже критической темпе­ратуры ожижения), а затем отвести от него теплоту кон­денсации. Температура кипения конкретной жидкости и теплота ее конденсации зависят от давления.

С точки зрения термодинамики процесс охлаждения заключается в переносе тепла с желаемого низкого тем­пературного уровня Т₂на более высокий T₁Чаще всего более высоким температурным уровнем, на который переносится тепло, является температура окружающей среды Т_о, (т. е. T_I=T_o). Такой перенос может быть осу­ществлен только при затрате энергии. Эта затрата энер­гии будет минимальной в идеальных условиях так на­зываемого обратного цикла Карно и определяется последующей формуле:

L_мин= q(T₁-T₂)/T₂

где L_мин - минимальная затрата работы на перенос тепла q с низкого температурного уровня Т₂на более высокий Т₁



Рис 2. Идеальный цикл ожижения!

1-2- охлаждение газа от комнатой температуры до температуры­

ожижения; 2-0 - ожижение газа; 1-3 - изотермическое сжа-.

тие, 3-0 - изоэнтропийное расширение
Из закона сохранения энергии следует, что на тем­пературном уровне Т_I дблжно быть отведено тепло Q=q+L_мин. .

Из приведенного выражения для Lмин видно, что, чем ниже температура, которую мы желаем получить, тем больше требуемая для этого энергия. Если принять тем­пературу окружающей среды Т₀= 300 К (27 ^ОС), то для переноса на этот уровень 1 джоуля тепла (q= 1 Дж) с азотного уровня (Т₂=80 К) потребуется минимальная энергия в 2,75 Дж; с водородного уровня (T₂=20 К)-14 Дж; а с гелиевого уровня .(Т₂=4 К) - 74 Дж. Дей­ствительные же затраты энергии превышают идеальныев 5-10 раз и более в зависимости от значения низшеготемпературного уровня.

Минимальная работа, необходимая для ожижения газа, определяется из -идеального цикла ожижения, по­казанного на рис. 2.

По оси ординат графика отложена абсолютная температура Т, по оси абсцисс - энтропия S – функция состояния системы, наиболее полно характеризующая из­менение теплового состояния рабочего тела.

Удобство т -s диаграмм состоит в том, что в них площадь под кривой, изображающей проводимый про­цесс, эквивалентна количеству затрачиваемого или по­лучаемого тепла.

Точка 1 на рис. 2 соответствует начальному состоя­нию газа (температура окружающей среды, давление -­атмосферное), точка 2 - состоянию охлажденного газа перед началом конденсации (так называемый насыщен­ный пар) и точка О - 100% жидкости.

Процесс 1-2 отражает охлаждение газа с комнатной температуры Т_одо температуры конденсации Т₂, про­цесс 2-3 - конденсацию газа при температуре Т₂и атмосферном давлении.

Площадь 1-2-0-SO-S1 графически отражает ко­личество тепла, отнимаемого от газа для его ожижения. Аналитически это тепло равно разности энтальпий (теп­лосодержания) газа в точке 1 (i1) И жидкости в точке О (io).

Идеальный цикл ожижения может быть осуществлен путем изотермического сжатия газа от начального. сос­тояния до точки 3 (процесс 1-3 на рис. 2) с последую­щим расширением его при постоянной энтропии (пpo­цесс 3-0). Площадь внутри контура 1-3-0-2-1 со­ответствует минимально необходимой работе ожижения.

^ожиж

L =T_O(S₁-S₀)-(i₁-i_o).

мин

На практике идеальный цикл ожижения не осущес­твляется, так как теоретически необходимое давление сжатия в точке 3 очень велико - сотни тысяч атмос­фер. Значения минимальной работы ожижения в иде­альном цикле используются как мера сравнения при анализе реальных циклов ожижения. Величины мини­мальной работы ожижения для разных газов приведены в табл. 1.

ТАБЛИЦА 1 Основные физические характеристики криоагентов

Вещество Параметры	Азот	Водород	Гелий	Кислород	Неон
Молекулярная масса, г/моль	28	2,016	4,003	32	20,18
Плотность газа,кг/м3	1,25	0,09	0,178	1,43	0,9
Плотность жидкости,кг/м3	808	71	125	1136	1206
Нормальная температура кипения, Ткип К(оС )	77,3 (-195,8)	20,4 (-252,7)	4,2 (-268,9)	90,18 (-183)	27,1 (-246)
Температура затвердевания, К	63,15	13,9	__	54,4	24,5
Теплота испарения, кДж/кг, кДж/л	197,6 160	454,2 32	20,4 2,6	212,3 240	85,8 106
Теплота плавления, кДж/кг	25,7	58,2	4,6	13,9	16,3
Теплота нагрква паров от Ткип до 280 кДж/г	206	3250	1430	170	260
Объём газа от испарения 1 л жидкости (в л при оС и 1 атм)	643	788	700	800	1340
Теоритически минимальная работа ожижения, кВт ч/л жидк.	0,172	0,235	0,237	0,202	0,445
Практический расход Энергии на ожижение, кВт ч/л жидк.	1-1,5	1,5-3,0	2-4	1,2-1,7	3-4,5

Из сравнения идеального цикла ожижения с идеаль­ным циклом Карно следует, что минимальная работа ожижения в первом цикле меньше, чем затраты на пе­ренос такого же количества тепла в обратном цикле Карно. Это связано с тем, что в цикле Карно все тепло переносится с одного низкого температурного уровня на другой, более высокий, в то время как в идеальном цик­ле ожижения такое имеет место только для тепла кон­денсации, охлаждение же газа от комнатной температуры до температуры конденсации осуществляется бесконечно большим числом элементарных циклов Карно! переносящих тепло с последовательно понижающихся температурных уровней.

Поэтому чем больше уровней отвода тепла в реаль­ной ожижительной установке, тем технологическая схе­ма ближе к идеальной. Так как ценность холода возрас­тает с понижением температурь, то введение предвари­тельных ступеней охлаждения посторонними хладагента­ми .(аммиак, фреон, жидкий азот и т. п.) всегда выгодно, так как способствует понижению расхода энергии на по­лучение конечного криопродукта.

Для получения криогенных температур и ожижения газов с низкими температурами кипения в настоящее время в первую очередь и чаще всего используются теп­ловые процессы, связанные с расширением предвари­тельно сжатого газа. Применение адсорбционных и маг­нитных методов охлаждения, растворения гелия-З в ге­лии-4 и различных теплофизических эффектов (напри­мер, Этингаузена, Померанчука и др.) играет вспомо­гательную роль и используется, как правило, только в области сверхнизких температур, т. е. ниже 1 К.

Для понижения своей температуры расширяющийся газ должен совершать какую-нибудь работу за счет сво­ей внутренней энергии.

В криогенике для получения низкотемпературного холода используются три способа расширения сжатого газа: дросселирование, изоэнтропическое расширение с совершением внешней работы (детандирование) и вы­пуск газа из постоянного объема (выхлоп).

Дросселированием называется снижение давления газа или жидкости путем пропускания их через сужен­ное отверстие (вентиль, кран и т. п.). Полученное охла­ждение (оно носит название эффекта Джоуля - Том­сона по именам открывших его ученых) является ре­зультатом того, что газ при дросселировании совершает два вида работ: против внутренних сил притяжения мо­лекул вещества и на изменение объемной энергии пото­ка до и после расширения (Р₁ V₁-P₂ V₂), где Р - дав­ление, V - удельный объем.

Следует отмстить, что если работа против межмоле­кулярных сил всегда дает охлаждение, то изменение объемной энергии PV может давать как охлаждение (ес­ли P₂V₂>P₁V₁), так и нагревание (если P₂V_2
1V₁). В ряде случаев (например, для водорода и гелия) нагрев от изменения объемной энергии превышает охлаждение от работы против межмолекулярных сил, и газ в резуль­тате дросселирования не охлаждается, а нагревается (в этих случаях говорят, что эффект Джоуля - Томсона отрицателен). Так как межмолекулярные силы растут с понижением температуры, то для каждого газа имеет­ся своя температура, при которой нагрев от изменения объемной энергии при дросселировании равен охлажде­нию от работы против межмолекулярных сил. Эта темпе­ратура носит название температуры: инверсии Джоуль -,. Томсоновского эффекта и обозначается Т_ИНВ. Так, например, для гелия Т_ИНВ равна 40 К, для водорода200 к, для азота 550 к и т. д.

В процессе дросселирования газ будет охлаждаться только в том случае, когда его температура перед дрос­селированием будет ниже инверсионной. Если темпера­тура сжатого газа выше инверсионной, то при дроссели­ровании он будет нагреваться. Этим объясняется тот факт, что водород и гелий при дросселировании с ком­натной температуры не охлаждаются, а нагреваются.

Таким образом, все фазы, имеющие температуру ин­версии Джоуль - Томсоновского эффекта выше ком­натной (например, азот, кислород, метан и др.), могут быть ожиженены простым дросселированием. Если же газ имеет Т_ИНВниже комнатной .(например, водород, гелий, неон), то для ожижения его методом дросселирования требуется предварительное охлаждение посторонним хладагентом до температуры заметно ниже Тинв

Изменение температуры при дросселировании имеет только для реальных газов, так как в идеальном газе силы межмолекулярного сцепления отсутствуют, а объемная энергия при расширении не меняется (произ­ведение PV - постоянно). Полезной, внешней работы

при дросселировании не совершается, а сам процесс является необратимым. I

Изоэнтропическое расширение газа с совершением внешней работы производится в специальной машине -детандере, и такой процесс называется детандированием. В детандере расширяющийся газ производит отводимую на сторону полезную работу, например, двигая поршень в цилиндре (в поршневых детандерах) или вращая колесо турбины (в турбодетандерах).

В идеальном детандере расширение газа должно протекать при постоянной энтропии, т. е. по обратимому адиабатическому процессу. В реальном детандере из-за неизбежных потерь тепла (на трение, через теплоизо­ляцию и т. д.) процесс расширения идет с возрастанием энтропии Степень отклонения действительного процес­са от адиабатического учитывается так называемым адиабатическим коэффициентом полезного действия де­тандера, который равен отношению действительного произведенного количества холода к теоретически воз­можному. Значения адиабатического КПД современныхдетандеров лежат в пределах 70-85 %.

Детандирование является наиболее эффективным ме­тодом охлаждения и потому наиболее часто использует­ся в современных криогенных установках. При высоких и средних давлениях сжатого газа применяются детан­деры поршневого типа, при средних и низких давле­ниях - турбодетандеры.

При выпуске газа из сосуда постоянного объема '(вы­хлопе) охлаждение происходит за счет совершаемой га­80М работы выталкивания, т. е. преодоления расширя­ющимся газом сил внешнего противодавления. Соверша­емая при выхлопе работа полезно не используется, и эффективность этого способа расширения ниже, чем де­тандирования и дросселирования. Однако в ряде случа­ев использование охлаждающего эффекта выхлопа мо­жет дать определенные преимущества, например, в так называемом экспансионном методе Симона для перио­дического получения небольших количеств жидкого ге­лия. По методу Симона, впервые осуществленного им в1932 г., сосуд, содержащий гелий, под высоким давлени­ем (10-12 МПа) охлаждается твердым водородом до10-14 К, после чего теплоизолируется, и газ выпуска­ется из сосуда через вентиль. В результате оставшийся в сосуде гелий (40-60%) ожижается. Для получения таким способом жидкого водорода сосуд с сжатым га­зообразным водородом нужно охладить до 50-60 К. На методе выхлопа основано действие микрокриогенной

газовой машины, разработанной Гифордом и Мак-Маго­ном.

Три способа расширения сжатого газа, описанные вы­ше, позволяют ожижить любой газ, в том числе и гелий­3 (изотоп обычного гелия), имеющий самую низкую тем­пературу кипения из всех известных жидкостей - 3,2 К.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Выбор криогенной жидкости для охлаждения объек­та до нужной температуры определяется в первую оче­редь температурой ее кипения под атмосферным давле­нием и теплотой испарения. Кроме того, существенную роль играют такие характеристики, как плотность, хи­мическая токсичность, взрывоопасность и запас холода в испаряющемся газе - т. е. количество тепла, необхо­димое для нагревания газа от температуры кипения жидкости до комнатной. В отдельных случаях приходит­ся учитывать и другие физические показатели, например, теплопроводность, вязкость, температуру замерзания, теплоту сублимации, электрическую прочность. При больших объемах потребления приобретает значение стоимость газа и затраты энергии на его ожижение.

Ниже приведены краткие характеристики отдельных, наиболее распространенных жидких криопродуктов.

Жидкий азот. Жидкость без цвета и запаха. Моле­кулярный вес - 28. Плотность-807 г/л (легче воды). Температура кипения - 77,4 К, замерзания - 63,1 К. Теплота испарения - 198 кДж/кг (160 кДж/л). Хими­чески инертен. Производится в крупных промышленных масштабах путем ожижения атмосферного воздуха и дальнейшего его разделения на азот и кислород.

Помимо широкого применения в науке, технике, ме­дцине, сельском хозяйстве, жидкий азот как криоагент повсеместно используется на предварительной ступени охлаждения при производстве жидких водорода, неона и гелия. Значение жидкого азота резко повысится R случаев создания в будущем сверхпроводящих материа­лов, работающих при азотных температурах.

В исключительных случаях жидкий азот может быть

использован в качестве эффективного средства при по­жаротушении, как это имело место при ликвидации ава­рии на Чернобыльской АЭС.

Жидкий водород. Самая легкая криогенная жидкость. Молекулярный вес - 2, плотность - 71 г/л. Темпера­тура кипения 20,4 К, затвердевания 13,9 К. Теплота ис­парения - 454 кДж/кг (32 кДж/л). Водород - горючий газ. В смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь в широком интервале концентраций от 4 до 75%.

Водород состоит из молекул двух видов, называемых соответственно орто- и парамолекулами, отличающихся ориентацией ядерных спинов образующих их молекул атомов. Орто- и парамолекулы заметно различаются по своим физическим свойствам, так что водород можно фактически рассматривать как смесь двух газов.

Равновесная концентрация орто- и парамолекул за­висит от температуры. При комнатной температуре и вы­ше водород состоит из 25% пара- и 75% ортомолекул. Такой газ принято называть нормальным водородом. С понижением температуры ниже комнатной равновесный орто-парасостав водорода меняется в сторону увеличе­ния доли парамолекул (ортомолекулы начинают пере­ходить в парамолекулы), так что при температуре 20 К равновесный водород состоит почти на 100% из одних парамолекул. Переход орто- в парамолекулы сопровож­дается выделением значительного количества тепла(500 Дж/кг, т. е. больше теплоты испарения жидкости), что резко сокращает время хранения ожиженного нор­мального водорода даже в очень хорошо теплоизоли­рованных сосудах. Поэтому для долговременного хране­ния жидкий водород должен производиться с высоким содержанием парамолекул (95 %).

Из-за взрывоопасности жидкий водород в качестве охлаждающей среды для получения низких температур используется редко. В крупных масштабах он использу­ется как топливо в ракетной технике (например, аме­рйкаиская ракетно-космическая система «Сатурн-5» тре­бует 90 т, или 1275 м3, жидкого водорода), как среда для физических ядерных исследований (например, в пузырьковых камерах), в бортовых электрохимических генераторах для энергоснабжения космических аппара­тов и в некоторых других целях.

Важное применение в атомной энергетике нашли изотопы водорода - дейтерий ,(D₂) и тритий (Т₂), По­лучаемая из дейтерия «тяжелая» вода (D₂О) служит замедлителем быстрых нейтронов и теплоносителем в ядерных реакторах атомных электростанций. Мировые потребности в тяжелой воде составляют сотни тонн в год.

Для энергетики будущего дейтерий может иметь важ­ное значение, как термоядерное горючее. Несмотря на малое содержание дейтерия в обычной воде (на 6000 ядер водорода приходится 1 ядро дейтерия), общее ко­личество дейтерия на Земле очень велико, и его как топлива хватит на сотни миллионов лет.

Наиболее экономичный способ получения дейтерия криогенный, путем ректификации жидкого водорода.

Радиоактивный изотоп водорода - тритий (период полураспада 12 лет) применяется в реакциях термоя­дерного синтеза как горючее в термоядерных бомбах, как изотопный индикатор в биологических исследовани­ях. Тритий получают в ядерных реакторах при облуче­нии нейтронами лития.

В последнее время в связи с ограниченностью запа­сов нефти и природного газа, а также необходимостью уменьшения загрязнения окружающей среды водород все чаще рассматривается как перспективное горючее для транспортных средств, в первую очередь для само­летов и автомобилей.

По сравнению с другими видами топлива водород

имеет существенные преимущества:

а) экологическая чистота продуктов сгорания (при сгорании водорода образуется вода, не загрязняющая

окружающую среду);

б) высокие энергетические показатели;

в) неисчерпаемость природных запасов;

г) возможность совмещения получения водорода с производством основных видов энергии - электричес­кой, ядерной, тепловой.

К недостаткам водорода как топлива относятся его высокая стоимость, малая плотность, взрывоопасность, а также необходимость специального оборудования для ожижения и хракения в жидком виде.

Жидкий гелий. Легкая, бесцветная, прозрачная жид­кость. Имеет самую низкую температуру кипения из всех элементов таблицы Менделеева. Молекулярный вес - 4. Температура кипения при атмосферном давле­нии - 4,2К,теплота испарения - 20,4 Дж/г

(0,256 кДж/л), плотность - 125 г/л. Химически инер­тен. Гелий впервые был открыт в 1868 г. в спектре Солн­ца (отсюда и его название).

Под давлением собственных паров гелий остается жидким вплоть до абсолютного нуля. При Т=2,17 К переходит в так называемое сверхтекучее состояние, от­крытое П. Л. Капицей в 1938 г. Чтобы подчеркнуть от­личие в свойствах обычного и сверхтекучего гелия, обычный жидкий гелий обозначают Не 1, а сверхтеку­чий Не II. По внешнему виду Не 1 резко отличается от Не II - в то время, как Не 1 бурно кипит во всем объе­ме, Не II - спокойная жидкость с отчетливым менис­ком. Это объясняется чрезвычайно высокой теплопро­водностью Не II, в миллион раз превосходящей тепло­проводность Не 1. Свойства Не 1 во многом похожи на

свойства обычных криогенных жидкостей, тогда как Не II представляет собой яркий пример квантовой жид­кости с особенностями, резко отличающими его от клас­сических жидкостей.

В качестве охлаждающих жидкостей используются оба вида гелия.

Газообразный гелий получают из природных газов, где он содержится обычно от 0,1 до 0,4% (в атмосфер­ном воздухе гелия содержится 5,2. 10^-4 % ).

У обычного гелия (⁴Не) имеется стабильный изотоп ³Не, встречающийся в природе крайне редко (примерно.на 100 млн. атомов 4Не приходится 1 атом 3Не). 3Не по­лучается в процессах, происходящих в ядерных реакто­рах. В низкотемпературной физике ³Не применяется для получения температур ниже 1 К.

Жидкий кислород. Жидкость голубоватого цвета, без запаха. Молекулярный вес - 32. Плотность - 1140 г/л (тяжелее воды). Температура кипения - 90,2 К, замер­зания - 54,3 К. Теплота испарения - 212 кДж/кг(242 кДж/л), теплота плавления - 13,9 кДж/кг. Хими­чески активен, интенсивно поддерживает горение. В от­личие от азота, водорода и других простых газов кис­лород парамагнитен - (жидкий кислород притягивает­ся магнитом). Производится в промышленных масшта­бах разделением ожиженного атмосферного воздуха.

Из-за высокой химической активности и связанных с ней опасностей жидкий кислород как средство охлаж­дения и получения криогенных температур применяется редко. Кислород чаще всего используется в газооб­разном виде (сварка, резка, интенсификация процеСС08 окисления, в химии, медицине и т. д.), однако достав­лять его к месту потребления и хранения выгоднее в жидком виде. Помимо транспортных целей, жидкий кислород в больших количествах применяется в реактив­ных двигателях как окислительный компонент Топлива.

Насыщенные жидким кислородом органические ма­териалы (например, опилки, древесный уголь 11 т. д.) являются взрывоопасными. Взрывчатые вещества на ос­нове жидкого кислорода называются оксиликвитами и раньше применялись во взрывных земляных работах (например, в 30-х годах при строительстве Днепрогэса). В настоящее время оксиликвиты вытеснены другими взрывчатыми веществами, более эффективными и удоб­ными в применении.

. Жидкий неон. Химически инертная, тяжелая жид­кость с плотностью 1204 кг/м3. Молекулярный вес - 20, температура кипения - 27,1 К, затвердевания - 24,6 К. Теплота испарения - 86 кДж/кг (106 кДж/л). Благо­даря низкой температуре кипения, значительной теплоте испарения на единицу объема ( в 40 раз больше, чем у гелия, и в 3,3 раза больше, чем у водорода) и взры­вобезопасности жидкий неон получает все большее рас­пространение как криогенный агент.

Газообразный неон получают из воздуха как побоч­ный продукт при производстве азота и кислорода. В ат­мосферном воздухе содержится 1,8.10-3% неона и 5,2.10-40/0 гелия. Это приводит к образованию в конден­саторах воздухораздельных установок неконденсирую­щейся неоногелиевой смеси, которая зачастую выбра­сывается в атмосферу, так как мешает процессу кон­денсации воздуха. В выбрасываемой из конденсаторов смеси содержится до 3-10% неона и гелия. Чтобы их не терять, в крупные воздухоразделительные установки все чаще дополнительно включаются аппараты-дефлег­маторы, в которых концентрация неоногелиевой смеси доводится до 70-90 %. Эта смесь собирается и в даль­нейшем разделяется на технически чистые неон и ге­J1ИЙ адсорбционным или конденсационным способом.

Схемы ожижения неона такие же, как и для водоро­да, но коэффициент ожижения в них выше, а весь про­цесс проще.

Жидкий неон хранится дольше всех криопродуктов. Так, в сосудах небольшой емкости (20-50 л) с много­слойной экранно-вакуумной изоляцией, в которых жид­кий гелий хранится 3 месяца, жидкий пара водород 9 месяцев, жидкий неон сохраняется 1 ,2-1 ,5 года.
  резервуары используемые для хранения криопродуктов

Резервуары криогенных систем предназначены для накопления, хранения и выдачи жидких криогенных продуктов потребителю. В ряде случаев в резервуарах осуществляется получение требуемой температуры жидкости. В резервуарах может также размещаться охлаждаемое оборудование (обычно в среде гелия); такие резервуары выделяются в особый вид и носят название криостатов. Их конструкция может существенно отличаться от конструкции общепромышленных резервуаров, поскольку она тесно связана с габаритными размерами и формой охлаждаемых объектов, а иногда и с возможностью их быстрого монтажа или удаления из объема. В зависимости от назначения, размеров и вида хранимого продукта криогенные резервуары отличаются теми или иными конструктивными особенностями. Хотя достаточно четкой их классификации до настоящего времени еще не существует, но можно с учетом номенклатуры резервуаров, выпускаемых промышленностью разделить их на следующие группы: стационарные резервуары, предназначенные для эксплуатации в составе жидкостных криогенных систем; транспортные резервуары и цистерны, предназначенные для снабжения потребителей жидкими криогенными продуктами; лабораторные сосуды, объем и масса которых позволяют перемещать их вручную.

При разработке конструкции резервуаров решаются следующие основные вопросы: выбор формы резервуаров, системы опор или подвесок и другие схемные вопросы: обеспечение тепловой защиты и способа поддержания вакуума в изоляционных полостях; выбор материала сосудов и других конструктивных узлов.

Форма резервуаров выбирается с учетом их назначения, удобства изготовления, перевозки и эксплуатации. Дополнительное влияние на форму резервуаров оказывает стремление к уменьшению теплопритоков к хранимой жидкости. С точки зрения обеспечения минимальных теплопритоков предпочтительна сферическая форма сосудов, поскольку для сферы отношение поверхности к объему S/V минимально по сравнению с другими геометрическими формами. Однако при сферической форме сосудов недостаточно эффективно используются рабочие площади и объемы, каждый типоразмер требует изготовления новой оснастки, с увеличением объема более 5-10 м осложняется перевозка резервуаров. В связи с этим кроме сосудов дорической формы широко применяются вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары, форма которых в лучшей степени учитывает габаритные размеры транспортных средств, позволяет более рационально использовать производственные площади, дает возможность за счет изменения длины обечайки выпускать ряд однотипных резервуаров разного объема. Сосуды для хранения криогенных жидкостей заключены в кожух (обычно герметичный) и пространство между ними используется для тепловой защиты внутреннего сосуда чаще всего на базе вакуумированных типов изоляции. Форма кожуха в основных очертаниях повторяет форму внутреннего сосуда.

К настоящему времени в криогенном машиностроении разработана и освоена обширная номенклатура резервуаров для хранения и перевозки жидких криогенных продуктов . Отечественной промышленностью выпускается достаточно широкая гамма типоразмеров криогенных резервуаров: стационарных, транспортных, резервуаров-цистерн, лабораторных. Основными типами резервуаров жидкостных криогенных систем являются крупные резервуары, предназначенные для стационарной установки. Для комплектования различного рода криогенных систем в нашей стране разработан унифицированный ряд криогенных резервуаров: РЦВ-З, РЦВ-8, РЦВ25, РЦВ-63, РИГ-50, РИГ-100, РИГ-225, РС-1400 объемом 3, 8, 2. 63, 50, 100, 225 и 1400 м соответственно. Резервуары серий РЦВ и РИГ имеют форму вертикальных и горизонтальных цилиндров, а РС-1400 - форму сферы. Они предназначены для хранения и выдачи жидких азота, кислорода и водорода. Внутренние сосуды изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т или ОЗХ20К16АГ10, наружные кожуха - из стали 09Г2С, что позволяет эксплуатировать резервуары на открытом воздухе при температуре окружающего воздуха до -40 С. Резервуары объемом до 225 м включительно транспортабельны, т. е. изготовляются в заводских условиях и переводятся в собранном виде к месту монтажа. Резервуар РС-1400 объемом 1400 м монтируется из отдельных элементов на месте его последующей эксплуатации. Резервуары РЦВ-З и РЦВ-8 имеют порошково-вакуумную изоляцию, остальные - слоисто-вакуумную, причем число экранов варьируется в зависимости от вида хранимого продукта. Конструктивные решения резервуаров РЦВ одинаковы.

Для хранения в небольших количествах жидких О , N и Ar и работы в лабораторных условиях выпускаются резервуары малого объема серий АСД и ЦСД. Резервуары серии АСД имеют сферическую или близкую к ней форму; внутренний сосуд подвешен к кожуху на длинной горловине, изоляция - порошково-вакуумная. Резервуары серии ЦСД представляют собой вертикальные цилиндрические двустенные сосуды с открытым верхом объемом от 5 до 50 л с порошково-вакуумной изоляцией. Съемная крышка служит лишь для защиты от расплескивания жидкости. По сути эти сосуды являются одновременно простейшими криостатами для погружения в жидкий азот различных объектов и деталей.

Отечественной промышленностью выпускаются серийно гелиевые резервуары различных типоразмеров. Для эксплуатации в составе гелиевых систем разработаны два типа стационарных резервуаров РЦВГ-40/0,07 и РЦВГ-1 ,25/0,07 объемом 40 м и 1 ,25 м соответственно на рабочее давление 0,07 МПа.

Описание резервуаров для хранения криогенных жидкостей было бы неполным без краткого упоминания о криостатах – криогенных резервуарах, предназначенных для размещения в их объеме различных охлаждаемых объектов и устройств. Наибольшее распространение получили гелиевые криостаты, предназначенные для размещения сверхпроводящих соленоидов. В связи с расширением промышленного использования явления сверхпроводимости именно создание различного рода криостатов станет в ближайшие годы главным направлением развития гелиевого емкостного оборудования. Отечественной промышленностью в настоящее время серийно выпускаются три типа гелиевых криостатов емкостью 15, 60 и 300 л.

Техническое освидетельствование криогенных стационарных резервуаров производится перед пуском в работу и через 10 лет эксплуатации путем проверки герметичности изоляционной полости, проведения пневматических испытаний внутреннего сосуда пробным давлением, проверки герметичности внутреннего сосуда после испытания пробным давлением.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Архаров А. М., Беляков В. П. Криогенные системы. М.,1987.

3. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы. Л.,1985.

2. Фрадков А. Б. Криогенные жидкости. - М.: - Знание, 1988. -64 с. - (Новое в жизни, ­науке, технике. Сер «Физика; N 7).