Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем
Покупка
Тематика:
Холодильная техника. Криогенная техника
Автор:
Архаров Алексей Михайлович
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 512
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7038-3842-6
Артикул: 467828.02.99
Доступ онлайн
В корзину
В работе рассмотрены основные этапы развития инженерной криологии; термодинамические принципы и предельные соотношения для непрямых, непрерывных, обратимых (равновесных) взаимных преобразований теплоты и работы (электроэнергии); термодинамическая температура, единое термодинамическое температурное пространство, холод и теплота; окружающая среда, ее температура и свойства; тепловые двигатели - генераторы работы (электроэнергии); холодильные и криогенные установки и системы - генераторы холода; тепловые насосы - генераторы высокопотенциальной теплоты; "холодные" двигатели - генераторы работы; различные преобразования потоков только теплоты; пример преобразования теплоты высокого потенциала в холод; энтропия и эксергия; внутренняя энергия и энтальпия; свободная энергия и свободная энтальпия; классические технологические задачи инженерной криологии.
Проанализированы принципиальные схемы реальных машинных систем, осуществляющих непрямые, непрерывные, циклические процессы для генерации работы (энергии), холода и теплоты; энергетические и энтропийные балансы реальных систем; истоки энтропийно-статистического метода анализа низкотемпературных систем и определения энергетических потерь; теоретические величины энергетических потерь в циклах НТУ; величины производства энтропии и действительно затрачиваемой работы для компенсации необратимости рабочих процессов и циклов в НТУ.
Показаны характерные особенности реальных необратимых рабочих процессов низкотемпературных систем - генераторов холода; особенности одноразового (кратковременного) и непрерывного (длительного) охлаждения; сформулирована теорема о холодопроизводительности низкотемпературных циклов с потоками рабочего тела. Описаны газовые интегрированные циклы тепловых насосов для одновременной генерации тепла и холода. Приведены примеры энтропийно-статистического анализа различных низкотемпературных систем.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 16.03.03: Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения
- ВО - Магистратура
- 16.04.03: Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А.М. АРХАРОВ ОСНОВЫ КРИОЛОГИИ Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана Москва 2014
УДК 621.59(075.8) ББК 31.392 А87 Рецензент – чл.-кор. РАН, профессор МГМУ Б.Г. Покусаев А.М. Архаров А87 Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем / А. М. Архаров. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. – 507, [5] с.: ил. ISBN 978-5-7038-3842-6 В работе рассмотрены основные этапы развития инженерной криологии; термодинамические принципы и предельные соотноше- ния для непрямых, непрерывных, обратимых (равновесных) взаим- ных преобразований теплоты и работы (электроэнергии); термодина- мическая температура, единое термодинамическое температурное пространство, холод и теплота; окружающая среда, ее температура и свойства; тепловые двигатели – генераторы работы (электроэнер- гии); холодильные и криогенные установки и системы – генераторы холода; тепловые насосы – генераторы высокопотенциальной тепло- ты; «холодные» двигатели – генераторы работы; различные преоб- разования потоков только теплоты; пример преобразования теплоты высокого потенциала в холод; энтропия и эксергия; внутренняя энер- гия и энтальпия; свободная энергия и свободная энтальпия; классиче- ские технологические задачи инженерной криологии. Проанализированы принципиальные схемы реальных машин- ных систем, осуществляющих непрямые, непрерывные, цикличе- ские процессы для генерации работы (энергии), холода и теплоты; энергетические и энтропийные балансы реальных систем; истоки энтропийно-статистического метода анализа низкотемпературных систем и определения энергетических потерь; теоретические вели- чины энергетических потерь в циклах НТУ; величины производства энтропии и действительно затрачиваемой работы для компенсации необратимости рабочих процессов и циклов в НТУ. Показаны характерные особенности реальных необратимых рабо- чих процессов низкотемпературных систем – генераторов холода; особенности одноразового (кратковременного) и непрерывного (дли- тельного) охлаждения; сформулирована теорема о холодопроизводи- тельности низкотемпературных циклов с потоками рабочего тела. Описаны газовые интегрированные циклы тепловых насосов для одно- временной генерации тепла и холода. Приведены примеры энтропий- но-статистического анализа различных низкотемпературных систем. УДК 621.59(075.8) ББК 31.392 © Архаров А.М., 2014 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-3842-6 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Введение: ретроспективный беглый взгляд на проблему холода и теплоты из ХХI века . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 ГЛАВА I. Достижения и этапы развития инженерной криологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.1. Роль и значение низких температур. Области современной крио логии. Мировые достижения. Улучшение качества жизни. Некоторые важные работы, выполненные в последние годы в России. Инженерная криология на рубеже веков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2. Анализ исторического опыта создания отечественной крупнотоннажной криоиндустрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 ГЛАВА II. Термодинамические принципы и предельные соотношения для непрямых, непрерывных, обратимых (равновесных) взаимных преобразований теплоты и работы (электроэнергии) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.1. Термодинамическая температура. Единое термодинамическое температурное пространство. Холод и теплота . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2. Окружающая среда, ее температура и свойства . . . . . . . . . . . . . . 64 2.3. Тепловые двигатели: генераторы работы (электроэнергии) . . . . 66 2.4. Холодильные и криогенные установки и системы: генераторы холода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.5. Тепловые насосы – генераторы высокопотенциальной теплоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.6. «Холодные» двигатели – генераторы работы . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.7. Различные преобразования потоков только теплоты. Пример преобразования теплоты высокого потенциала в холод . . . . . . . . . . 72 2.8. Энтропия. Эксергия теплоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.9. Внутренняя энергия и энтальпия. Свободная энергия и свободная энтальпия. Эксергия потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.10. Силы воздействия потоков веществ и изменение импульса . . . . 92 ГЛАВА III. Классические технологические задачи инженерной криологии и теоретически минимально необходимая энергия для их осуществления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.1. Охлаждение (при p = const и v = const) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.2. Криостатирование (при Тх = const). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.3. Конденсация веществ из паровой фазы в жидкое или твер- дое состояние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.4. Ожижение, отвердевание и вымораживание газов . . . . . . . . . . . . 100 3.5. Разделение и очистка газов и газовых смесей. . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.6. Перенос теплоты на более высокий температурный уро- вень. (Тепловые насосы. Динамическое отопление) . . . . . . . . . . . . . . . . 103
ГЛАВА IV. Принципиальные схемы реальных машинных си- стем, осуществляющих непрямые, непрерывные, циклические процессы для генерации работы (энергии), холода и теплоты. Энергетические и энтропийные балансы реальных систем. Ис- токи энтропийно-статистического метода определения энерге- тических потерь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.1. Высокотемпературный тепловой двигатель – генератор работы. . . . . 106 4.2. Низкотемпературная машинная система – генератор холода. . . . . 107 4.3. Высокотемпературная парокомпрессионная машинная система для генерации теплоты – тепловой насос . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.4. Универсальная машинная система – тепловой насос с газо- вым циклом для генерации теплоты и холода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.5. Низкотемпературный («холодный») двигатель – генера- тор работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.6. Высоко- и низкотемпературная система – генератор холода (за счет высокопотенциальной теплоты) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 ГЛАВА V. Реальные величины затрачиваемой или получаемой работы (электроэнергии). Основы приближенного, энтропийно- статистического метода оценки реальных энергетиче- ских потерь в низкотемпературных системах и установках . . . . . . 119 5.1. Теоретические величины энергетических потерь в циклах НТУ . . 120 5.2. Величины действительно затрачиваемой работы для ком- пенсации необратимости рабочих процессов и циклов в НТУ. . . . . . . . 121 5.3. Энергетические потери, присущие низкотемпературным установкам в целом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.4. Основные реальные необратимые процессы НТУ . . . . . . . . . . . . 124 5.5. О вычислении действительных величин производства энтропии . . . 126 5.6. Стадии термодинамического анализа НТУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 ГЛАВА VI. Характерные особенности рабочих процессов низ- котемпературных систем – генераторов холода . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6.1. О работе сжатия и расширения в низкотемпературных системах с потоками рабочего тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6.2. Изменение основных термодинамических величин при сжатии реального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.3. Основные процессы, сопровождающиеся понижением темпе- ратуры в адиабатных условиях или поглощением теплоты в изо- термических условиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 6.4. Понятие о холодопроизводящих процессах в циклах низко- температурных установок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 ГЛАВА VII. Термодинамический анализ наиболее часто реа- лизуемых процессов, сопровождающихся понижением темпе- ратуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.1. Процесс h = const. Дросселирование газов, паров и жидко- стей в открытой системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Оглавление
7.2. Процесс U = const. («Дросселирование» в закрытой системе) . . . 165 7.3. Процесс s = const. Равновесное адиабатное расширение потока вещества. Расширение газов, паров и жидкостей в детандерах – детандирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 7.4. Процесс αsн = const. Выхлоп или свободный выпуск газа из баллона. Процесс впуска. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 7.5. Процессы в адиабатной системе с переменной массой. . . . . . . . 186 7.6. Расширение газа в адиабатной вихревой трубе Ранка – Хилша . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 7.7. Процессы волнового расширения газа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.8. Адиабатная откачка паров кипящей жидкости. Адиабатное барботирование ненасыщенных газов через жидкость . . . . . . . . . . . . . . 201 7.9. Процессы охлаждения, основанные на использовании свойств 4Не и 3Не . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 7.10. Процессы охлаждения с использованием рабочих тел в твердом состоянии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 7.11. Электрокалорический эффект охлаждения. Термомагнитное охлаждение. Намагничивание сверхпроводников. Механокалорический эффект. Охлаждение смешением. Деформация упругой среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 ГЛАВА VIII. Одноразовое (кратковременное) и непрерывное (длительное) охлаждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 8.1. Принципы и способы одноразового (кратковременного) охлаждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 8.2. Принципы организации непрерывного (длительного) охлаждения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 ГЛАВА IX. Генерация холода в низкотемпературных циклах . . . . 254 9.1. Рабочие тела низкотемпературных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 9.2. Основные вопросы организации циклов. Характерные рабочие процессы генераторов холода. Холодопроизводящие процессы в циклах низкотемпературных установок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 9.3. Теорема о холодопроизводительности различных циклов с потоками рабочего тела. Условные понятия «полезной» холодопроизводительности и «потерь» холодопроизводительности. Баланс реально генерируемой (вырабатываемой) и затрачиваемой (расходуемой) холодопроизводительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 ГЛАВА Х. Особенности классических циклов низкотемпературных установок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 10.1. Характерные особенности циклов с дросселированием и основные этапы их развития . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 10.2. Циклы с детандированием и основные этапы их развития . . . . . 277 10.3. Сравнение параметров и характеристик классических де- тандерных циклов низкого, среднего и высокого давления для ожижения воздуха. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 10.4. Рефрижераторные циклы на основе процесса выхлопа . . . . . . . 292 Оглавление
ГЛАВА XI. Газовые циклы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 11.1. Газовые интегрированные циклы тепловых насосов для одновременной генерации тепла и холода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 11.2. Цикл с «горячим» рекуператором. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 11.3. Цикл с «холодным» рекуператором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 11.4. Цикл с общим «горяче-холодным» рекуператором. . . . . . . . . . . 301 11.5. Цикл без рекуператора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 11.6. Однопоточный каскадный цикл А.П. Клименко . . . . . . . . . . . . . 305 11.7. Циклы поршневых газовых холодильных машин и пульса- ционных криогенераторов (обратные холодильные циклы Стирлинга и Эриксона, циклы Гиффорда – Мак-Магона, циклы пульсацион- ных криогенераторов, цикл Вюлемье – Такониса) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 ГЛАВА XII. Применение энтропийно-статистического метода термодинамического анализа для исследования различных процессов и циклов низкотемпературных систем и установок с потоками рабочего тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 12.1. Примеры нелогичности и нецелесообразности применения эксергетического варианта термодинамического анализа для исследования низкотемпературных процессов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 12.2. Исследование классического цикла парокомпрессионной холодильной машины. Термодинамический анализ фреонового (R22) рефрижераторного цикла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 12.3. Исследование классического цикла высокого давления (Линде – Хемпсона) для ожижения воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 12.4. Исследование цикла среднего давления с детандером Ж. Клода для ожижения воздуха. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 12.5. Исследование цикла высокого давления с детандером П. Гейландта для ожижения воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 12.6. Анализ воздушного рефрижераторного рекуперативного цикла низкого давления с детандером (обратный цикл Брайтона) . . . . . 383 12.7. Энтропийно-статистический анализ воздушного рекуперативного цикла низкого давления с детандером для ожижения воздуха ( цикл П.Л. Капицы). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 12.8. Энтропийно-статистический анализ установок сжижения природного газа малой производительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 12.9. Энтропийно-статистический анализ классических холодильных циклов для систем кондиционирования воздуха. . . . . . . . . . . . 452 12.10. Аккумулирование холода, как способ энергосбережения и оптимизации энергопотребления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 12.11. Анализ воздушного интегрированного цикла для одновременной генерации тепла и холода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 Оглавление
Светлой памяти моих родителей Ольги Алексеевны и Михаила Федоровича Архаровых, моей alma mater МГТУ им. Н.Э. Баумана, всем моим учителям посвящается ПРЕДИСЛОВИЕ Научные основы инженерной криологии и получения низких температур, по сути, фундаментальны и едины независимо от температурного уровня генерируемого холода. Они сохраняют свое значение в процессе развития техники, в то время как методы получения низких температур и применяемые установки могут быть существенно различны и изменяться в ходе их усовершенствования. Именно общность фундаментальных основ криологии определила название книги и побудила автора к попытке их изложения в углубленном и расширенном виде по сравнению с тем, как это сделано в коллективном капитальном труде «Криогенные системы» (тома I и II), который, будучи учебником, не допускал «неравновесности» содержания в пользу чисто научных и теоретических результатов. Однако для решения остро возникающих проблем энергосбережения требуются уточнение и развитие в первую очередь именно теоретических подходов для осмысления и нахождения путей усовершенствования низкотемпературных систем. Поэтому в книге уделено повышенное внимание термодинамическому анализу, и в частности энтропийно-статистическому методу определения реальных величин энергетических потерь в низкотемпературных систе- мах. По своему характеру эта монография является как бы беседами об основаниях криологии и предполагает определенный уровень подготовленности читателя, но главное – уровень его заинтересо- ванности в осознании основ инженерной криологии. Идея этой книги возникла давно: на рубеже 80–90-х гг. ушедше- го столетия. Автор ставил своей целью и стремился написать пре- дельно ясно и корректно о далеко не простых проблемах генерации холода и низких температур, их значении в развитии цивилизации, для чего потребовалось много времени. Так, формулировка теоре- мы о холодопроизводительности низкотемпературных циклов и установок с потоками рабочего тела периодически уточнялась и обдумывалась на протяжении ряда лет. То же самое следует ска- зать и о формировании методологии энтропийно-статистического анализа, которая впервые широко представлена в этой книге.
Длительность обдумывания и размышлений никоим образом не яв- ляются гарантией безупречности этой книги, и автор примет все за- мечания с благодарностью, тем более что некоторые идеи и обоб- щения высказаны, как мне представляется, впервые и, естественно, могут и должны обсуждаться. Возможность работать над такой книгой часто обращала вооб- ражение и память к моим учителям в разные периоды жизни: в школьные годы – к Маргарите Николаевне Демьянович, Екатерине Николаевне Курило, Льву Ардальоновичу Мищенюку, Евгении Ни- колаевне Жудро, Вере Владимировне Сказкиной, Евгении Никола- евне Домбровской, Александру Васильевичу Морозкину, Александ- ре Алексеевне Краснощековой, Николаю Николаевичу Новикову. Школа № 59 им. Н.В. Гоголя Киевского района Москвы (в Ста- роконюшенном переулке) заложила в своих воспитанниках проч- ный фундамент для получения в дальнейшем любого профессио- нального образования. Мне посчастливилось получить его в МВТУ им. Н.Э. Баумана по специальности «Холодильные и компрессор- ные машины» (кафедра ХКМ) факультета «Тепловые и гидравличе- ские машины». У нас были великолепные наставники, выдающиеся деятели науки и техники. Они воспитывали в нас любовь и творче- ское отношение к инженерному делу, поднимая его на уровень ис- кусства, неизменно следуя простому, фундаментальному принципу: раскрыть физическую сущность уравнений, пояснить и понять не только как работают машины, системы, приборы, установки, но и что нужно сделать, что необходимо изменить, чтобы они работали наиболее эффективно и надежно и были бы конструктивно, а значит эстетически, совершенны! Это одно из драгоценных качеств клас- сической русской инженерной школы вообще и конкретно МВТУ (ныне МГТУ) им. Н.Э. Баумана. На всю жизнь запомнились лекции Адольфа Павловича Юшке- вича по высшей математике, Сергея Дмитриевича Пономарева по сопротивлению материалов, Христофора Артемьевича Арустамова по начертательной геометрии, Александра Николаевича Обморшева по теоретической механике, Льва Григорьевича Подвидза по ги- дравлике, Виктора Александровича Летенко по организации произ- водства, Ники Алексеевны Скворцовой по теории механизмов и ма- шин, Михаила Васильевича Носова по термодинамике, Владимира Евгеньевича Цыдзика по холодильным машинам, Семена Яковле- вича Герша по глубокому охлаждению, Виктора Александровича Румянцева по компрессорным машинам, Федора Макаровича Чи- стякова по турбохолодильным машинам, Ирины Васильевны Предисловие
Марфениной по воздухоразделительным установкам, Константина Степановича Буткевича по детандерам. Запомнились практические занятия по английскому языку с Кирой Дмитриевной Белоголововой. Руководителем моего дипломного проекта, а затем и кандидат- ской диссертации был профессор Семен Яковлевич Герш – основа- тель в МВТУ им. Н.Э. Баумана (1933–1934) первой в СССР и в Рос- сии вузовской научно-педагогической школы по криогенике. В последующие периоды жизни мне представилась замечательная возможность обсуждать разные научные и инженерные вопросы, а порой и работать с профессорами Андреем Григорьевичем Голо- винцовым, Григором Арутюновичем Шаумяном, Михаилом Петро- вичем Вукаловичем, Нисоном Ильичем Гельпериным, Львом Мар- ковичем Розенфельдом, Григорием Ивановичем Ворониным, Николаем Антоновичем Доллежалем, Александром Адольфовичем Гухманом, Петром Леонидовичем Капицей, Владимиром Сергееви- чем Мартыновским, Владиславом Диамидовичем Лубенцом, Вла- димиром Васильевичем Уваровым, Валентином Петровичем Алек- сеевым, Михаилом Петровичем Малковым, Михаилом Георгиевичем Кругловым, Сергеем Дмитриевичем Гришиным, Иваном Петрови- чем Усюкиным, Верой Ивановной Епифановой, Михаилом Борисо- вичем Столпером, Федором Антоновичем Русаком, Александром Петровичем Клименко, Леонидом Зиновьевичем Мельцером, Абра- мом Борисовичем Фрадковым, Семеном Самойловичем Будневи- чем, Григорием Борисовичем Наринским, Юрием Владимировичем Петровским, Александром Григорьевичем Зельдовичем, Владими- ром Григорьевичем Фастовским, Георгием Анатольевичем Головко, Игорем Игнатьевичем Ореховым, Львом Самойловичем Аксельро- дом, Евгением Ивановичем Микулиным, Владимиром Николаеви- чем Козловым, Александром Дмитриевичем Сусловым, Анатолием Сергеевичем Нуждиным, Александром Васильевичем Быковым, Владимиром Ивановичем Лощиловым, Алексеем Николаевичем Антоновым, Владимиром Ивановичем Петровым, а также с зару- бежными профессорами Уильямом Гиффордом (США), Троготом Фредеркингом (США), Джефри Хазельденом (Англия), Густавом Лоренценым (Швеция), Вацлавом Хрызом (Чехия). Имена и работы этих замечательных деятелей науки, в частности об искусственном холоде и методах его генерации и применения, вос- принимаются с большой теплотой и интересом. Дискуссии с ними постоянно укрепляли и углубляли убежденность в том, насколько важно в практической научной и инженерной деятельности ясное по- нимание физической сущности изучаемых процессов в машинах Предисловие
и установках и их адекватное термодинамическое описание. Искрен- не признателен всем, у кого я учился (учусь и поныне), и по мере сил стремлюсь в своей работе следовать их высокому примеру. Увы, к сожалению, многих сегодня уже нет, но они живут в благодарной памяти своих учеников и последователей и помогают идти дальше. Выражаю также глубокую благодарность за обсуждение ряда проблем и поддержку безвременно ушедшему из жизни чл.-кор. АН СССР Виктору Петровичу Белякову, академику РАН Алексан- дру Ивановичу Леонтьеву, канд. физ.-мат. наук Геннадию Николае- вичу Бичеву, д-ру техн. наук, профессору Николаю Павловичу Коз- лову, канд. техн. наук Игорю Георгиевичу Суровцеву, чл.-кор. РАН Евгению Викторовичу Аметистову, канд. техн. наук Виктору Ивано- вичу Шатрову, канд. техн. наук Геннадию Федоровичу Шеину, ака- демику РАН Игорю Борисовичу Федорову, д-ру техн. наук, профес- сору Игорю Мартыновичу Калниню, д-ру техн. наук Николаю Васильевичу Филину, д-ру техн. наук Валерию Никаноровичу Афа- насьеву, канд. техн. наук Владимиру Ивановичу Куприянову, д-ру техн. наук Александру Александровичу Макарову, профессору Лео- ниду Алексеевичу Акулову, д-ру техн. наук, профессору Анатолию Ивановичу Смородину, д-ру техн. наук Анатолию Анатольевичу Жердеву, академику РАН Николаю Павловичу Алешину, д-ру техн. наук, профессору Ивану Алексеевичу Архарову, д-ру техн. наук, профессору Виталию Леонидовичу Бондаренко, д-ру техн. наук, профессору Михаилу Юрьевичу Савинову, д-ру техн. наук, профес- сору Борису Григорьевичу Покусаеву, д-ру техн. наук, профессору Вячеславу Владимировичу Сычеву, д-ру техн. наук, профессору Анатолию Александровичу Александрову, д-ру техн. наук, профес- сору Евгению Ивановичу Борзенко, чл.-кор. РАН Александ ру Вик- торовичу Клименко, д-ру техн. наук, профессору Валерию Александ- ровичу Матвееву, д-ру техн. наук Олегу Борисовичу Цветкову, д-ру техн. наук Александ ру Владимировичу Бараненко, д-ру техн. наук, профессору Дмитрию Игоревичу Цыганову, д-ру мед. наук Михаи- лу Израильевичу Перельману, д-ру мед. наук Антонине Валенти- новне Буториной, д-ру мед. наук Владимиру Васильевичу Шафра- нову, канд. техн. наук Константину Константиновичу Соколову, д-ру техн. наук, профессору Сергею Борисовичу Нестерову, всем моим друзьям, коллегам и ученикам. Особо хочу подчеркнуть плодотвор- ность совместных с профессором В.В. Сычевым дискуссий с про- фессором В.М. Бродянским, результаты которых отражены в статьях и частично в этой книге. Необходимо ответить на два вопроса. Предисловие
Первый: «Для чего (зачем или почему) написана эта книга?» Для того чтобы акцентировать внимание на том, что термодина- мические основы искусственного охлаждения едины во всем воз- можном диапазоне низких температур – вплоть до 0 K! Чтобы показать, сколь разнообразны возможные варианты пре- образований (в том числе и взаимных) теплоты (холода) и работы (электроэнергии) в едином термодинамическом температурном пространстве. Чтобы сформулировать общие принципы генерации холода и теорему о холодопроизводительности любого цикла с потоками рабочего тела. Чтобы вскрыть определенные проблемные вопросы и предло- жить возможные варианты их решения. В частности, это касается задачи определения действительных величин некоторых видов энергетических потерь в низкотемпературных установках. Чтобы численно (на разных примерах) показать результаты и целесообразность применения и дальнейшего развития энтропийно- статистического метода для анализа низкотемпературных машин, систем и установок. Чтобы отразить значение криологии в развитии цивилизации, назвать имена первопроходцев, побудить интерес к первоисточникам и к наиболее интересным работам последних лет, а также напомнить об уникальном отечественном опыте создания крупнотоннажной криоиндустрии. Второй: «Для кого написана эта книга?» Для специалистов, инженеров-разработчиков и инженеров-исследователей, работающих в различных областях криологии. Для будущих специалистов. Надеюсь, что она будет читаться студентами и аспирантами. Но это не учебник! Это, скорее, описание ( своего рода сага), включающее обдумывание путей развития, принципов, методов расчета, анализа, обобщений и особенностей приложения фундаментальных основ термодинамики к практиче- ским задачам криологии. Однако название книги «Основы криоло- гии» обязывало меня включить ряд разделов сугубо тривиального характера, написанных мною и опубликованных ранее, но соот- ветствующим образом дополненных. В таком виде книга пред- ставлялась более полезной для практического использования. В определенной степени она отражает содержание лекций, прочи- танных автором в МГТУ им. Н.Э. Баумана и зарубежных универси- тетах, по курсам «Научные основы холодильной и криогенной тех- ники», «Регенерация и разделение газов», «Криогенные поршневые Предисловие
детандеры», «Криогенные системы», «Научные основы искусствен- ного охлаждения». Вероятно, она будет интересна историкам развития техники в ХХ в., который наряду с атомным машиностроением, радиолока- цией, в том числе загоризонтной, сверхзвуковой авиацией, электро- никой, телевидением, лазерной и вычислительной техникой, раке- тостроением и космическими системами, оставил нам инженерную криологию – науку об искусственном холоде, методах его получе- ния и способах использования в различных областях практической и научной деятельности – от космонавтики, металлургии и энергети- ки до медицины, пищевой промышленности, химии и климатехни- ки. В книге приведено много исторических фактов, событий и имен. Для всех тех, кто посвятил себя поиску новых идей, новых ре- зультатов и новых обобщений в различных областях инженерной криологии. Такой поиск неизбежно будет продолжен в будущем, ибо дальнейшее развитие нашей цивилизации без инженерной криологии невозможно! Для своих учеников и ближайших коллег, иными словами, для научной школы, которая официально зарегистрирована (НШ-2188.2008. направление 8). В заключение необходимо отметить большую роль в создании этой книги, принадлежащую моим ученикам профессорам А.А. Александрову, И.А. Архарову, А.А. Жердеву, В.Л. Бондаренко, Г.Г. Гречко, М.Ю. Савинову, А.И. Смородину, Ю.А. Шевичу и до- центам Е.С. Навасардян, В.В. Шишову, В.Ю. Семенову, М.А. Коло- сову, Н.А. Лаврову, инженерам Н.И. Комаровой и Г.Т. Юмашевой, Е.Н. Крижановской, С.Д. Красноносовой, А.Н. Колобовой, С.Б. Ма- лахову, О.Е. Чубарову. Выражаю благодарность бывшим студен- там кафедры Э-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана Виктории Варданян, Дарье Горбачевой, Оксане Егоровой и Илье Федорину за превосходные конспекты моих лекций, которыми я смог воспользоваться. Выражаю искреннюю признательность аспиранту кафедры Э-4 Екатерине Сергеевне Донцовой за большую помощь в работе над материалом книги. Следует также отметить большую помощь РФФИ в финансировании исследований, частично представленных в XII главе. Хотелось бы верить, что данная книга – это еще один наш вклад в сохранение и дальнейшее развитие инженерных и научно-методических школ «холодильщиков» и «криогенщиков» в МГТУ им. Н.Э. Баумана и в других родственных вузах. Данной книгой эти школы впервые, по сути, объединены в общее научное направле- Предисловие
ние – инженерную криологию. Весь окружающий нас материальный мир создан инженерами, разумеется, и в области техники низких температур. В условиях научно-технической революции роль инженера еще более возросла. Инженер получил мощное техническое оснащение – компьютерное «вооружение», но смысл его деятельности остается во все времена неизменным – это созидание, именно оно лежит в основе развития, формирования новых идей, получения новых результатов, создания новых технологий, изобре- тений и обобщений. Поскольку эту монографию будут, я надеюсь, читать и молодые люди, необходимо сказать следующее. Чтобы познать предмет лю- бой сложности надо в него влюбиться, влюбиться дерзностно! Тог- да, быть может, откроются некоторые особенности и возможности предмета страсти и увлеченности. У автора было три подобных предмета: Крио, Термодинамика и Энтропия. По-русски – низкие температуры и их повивальная дама – энтропия – самая труднодо- ступная, но императорски значимая термодинамическая функция состояния. Желаю успехов всем читателям. Искренне Ваш А.М. Архаров Предисловие
ВВЕДЕНИЕ: ретроспективный беглый взгляд на проблему холода и теплоты из ХХI века Холод и теплота с физической точки зрения – суть одно и то же, они имеют одинаковые единицы измерения и различаются только температурой. Холод – это низкотемпературная теплота. «Криос» в греческом языке означает холод. Криология – наука о холоде, ме- тодах его получения и использования. Термин «криология» весьма емкий и может включать в себя разнообразные области знаний, ин- тересов, направлений поисков и исследований, связанных с низки- ми температурами. В данной книге речь идет об инженерной крио- логии, т. е. в основном об искусственном холоде. В истории человечества отношение к холоду и теплоте было раз- личным. Огонь и теплота позволяли человеку преодолевать холод, согревать жилища, приготавливать пищу, выплавлять и обрабаты- вать металлы, осваивать новые территории, создавать оружие и, на- конец, получать механическую работу и электроэнергию. Сформи- ровавшийся культ огня и высоких температур вполне объективен и закономерен. Для обеспечения жизнедеятельности человек и в на- стоящее время использует разнообразное топливо: от соломы и дров до водорода, урана и плутония. Значение различных видов топлива и высокотемпературной теплоты не ослабевает. Отношение же к хо- лоду и низким температурам на протяжении последних полутора столетий постепенно менялось. В результате целого ряда открытий и новых возможностей, которые холод дал человеку, из субъекта препятствий и преодолений он превратился в субъект созидания и прогресса. Существует холод природный (естественный) и искусствен- ный. Естественный холод, например зон вечной мерзлоты, при- сутствует на всех континентах нашей планеты за исключением Австралии, а сезонные низкие температуры наблюдаются даже там. Резервуары и запасы природного холода огромны, особенно в России, Гренландии, Канаде, Арктике, Антарктике, в холодных морских течениях, верхних слоях атмосферы и высокогорных ледниках.
Доступ онлайн
В корзину