Основы криологии, Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем, Архаров А.М., 2014

Основы криологии, Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем, Архаров А.М., 2014.

   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.
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.




Процессы волнового расширения газа.
При анализе процесса дросселирования, реализуемого в безмашинном расширительном устройстве, указано, что в дроссельном вентиле происходит процесс истечения с преобразованием энергии сжатого газа в кинетическую энергию потока. Для увеличения температурного эффекта расширения без существенного усложнения расширительного устройства необходимо найти способы преобразования кинетической энергии потока в другие формы и отвода ее части без использования сложных машин - детандеров, обычно применяемых для этих целей. Одним из практических путей является осуществление так называемого процесса волнового расширения: расширения в условиях установившегося течения с генерацией волновой (акустической) энергии и отводом части этой энергии в преобразованном виде от расширяющегося газа. Наиболее реален вывод энергии из системы в форме теплоты.

Исследования, проведенные в 1970-1980-х годах МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с АО «Криогенмаш», «Гелиймаш», ВНИИхолодмаш и Акустическим институтом РАН, определили некоторые возможные способы реализации волновых процессов расширения применительно к криогенным и холодильным системам. Разработанные расширительные устройства названы волновыми криогенераторами, а метод получил название газодинамического безмашинного метода получения холода.

ОГЛАВЛЕНИЕ.
Предисловие.
Введение: ретроспективный беглый взгляд на проблему холода и теплоты из XXI века.
Глава I. Достижения и этапы развития инженерной криологии.
1.1. Роль и значение низких температур. Области современной криологии. Мировые достижения. Улучшение качества жизни. Некоторые важные работы, выполненные в последние годы в России. Инженерная криология на рубеже веков.
1.2. Анализ исторического опыта создания отечественной крупнотоннажной криоиндустрии.
Глава II. Термодинамические принципы и предельные соотношения для непрямых, непрерывных, обратимых (равновесных) взаимных преобразований теплоты и работы (электроэнергии).
2.1. Термодинамическая температура. Единое термодинамическое температурное пространство. Холод и теплота.
2.2. Окружающая среда, ее температура и свойства.
2.3. Тепловые двигатели: генераторы работы (электроэнергии).
2.4. Холодильные и криогенные установки и системы: генераторы холода.
2.5. Тепловые насосы - генераторы высокопотенциальной теплоты.
2.6. «Холодные» двигатели - генераторы работы.
2.7. Различные преобразования потоков только теплоты. Пример преобразования теплоты высокого потенциала в холод.
2.8. Энтропия. Эксергия теплоты.
2.9. Внутренняя энергия и энтальпия. Свободная энергия и свободная энтальпия. Эксергия потока.
2.10. Силы воздействия потоков веществ и изменение импульса.
Глава III. Классические технологические задачи инженерной криологии и теоретически минимально необходимая энергия для их осуществления.
3.1. Охлаждение (при р = const и v = const).
3.2. Криостатирование (при Тх = const).
3.3. Конденсация веществ из паровой фазы в жидкое или твердое состояние.
3.4. Ожижение, отвердевание и вымораживание газов.
3.5. Разделение и очистка газов и газовых смесей.
3.6. Перенос теплоты на более высокий температурный уровень. (Тепловые насосы. Динамическое отопление).
Глава IV. 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 определения энергетических потерь.
4.1. Высокотемпературный тепловой двигатель - генератор работы.
4.2. Низкотемпературная машинная система - генератор холода.
4.3. Высокотемпературная парокомпрессионная машинная система для генерации теплоты - тепловой насос.
4.4. Универсальная машинная система - тепловой насос с газовым циклом для генерации теплоты и холода.
4.5. Низкотемпературный («холодный») двигатель - генератор работы.
4.6. Высоко- и низкотемпературная система - генератор холода (за счет высокопотенциальной теплоты).
Глава V. Реальные величины затрачиваемой или получаемой работы (электроэнергии). Основы приближенного, энтропийно-статистического метода оценки реальных энергетических потерь в низкотемпературных системах и установках.
5.1. Теоретические величины энергетических потерь в циклах НТУ.
5.2. Величины действительно затрачиваемой работы для компенсации необратимости рабочих процессов и циклов в НТУ.
5.3. Энергетические потери, присущие низкотемпературным установкам в целом.
5.4. Основные реальные необратимые процессы НТУ.
5.5. О вычислении действительных величин производства энтропии.
5.6. Стадии термодинамического анализа НТУ.
Глава VI. Характерные особенности рабочих процессов низкотемпературных систем - генераторов холода.
6.1. О работе сжатия и расширения в низкотемпературных системах с потоками рабочего тела.
6.2. Изменение основных термодинамических величин при сжатии реального газа.
6.3. Основные процессы, сопровождающиеся понижением температуры в адиабатных условиях или поглощением теплоты в изотермических условиях.
6.4. Понятие о холодопроизводящих процессах в циклах низкотемпературных установок.
Глава VII. Термодинамический анализ наиболее часто реализуемых процессов, сопровождающихся понижением температуры.
7.1. Процесс h = const. Дросселирование газов, паров и жидкостей в открытой системе.
7.2. Процесс U = const, («Дросселирование» в закрытой системе).
7.3. Процесс s = const. Равновесное адиабатное расширение потока вещества. Расширение газов, паров и жидкостей в детандерах-детандирование.
7.4. Процесс as = const. Выхлоп или свободный выпуск газа из баллона. Процесс впуска.
7.5. Процессы в адиабатной системе с переменной массой.
7.6. Расширение газа в адиабатной вихревой трубе Ранка-Хилша.
7.7. Процессы волнового расширения газа.
7.8. Адиабатная откачка паров кипящей жидкости. Адиабатное барботирование ненасыщенных газов через жидкость.
7.9. Процессы охлаждения, основанные на использовании свойств 4Не и 3Не.
7.10. Процессы охлаждения с использованием рабочих тел в твердом состоянии.
7.11. Электрокалорический эффект охлаждения. Термомагнитное охлаждение. Намагничивание сверхпроводников. Механокалорический эффект. Охлаждение смешением. Деформация упругой среды.
Глава VIII. Одноразовое (кратковременное) и непрерывное (длительное) охлаждение.
8.1. Принципы и способы одноразового (кратковременного) охлаждения.
8.2. Принципы организации непрерывного (длительного) охлаждения.
Глава IX. Генерация холода в низкотемпературных циклах.
9.1. Рабочие тела низкотемпературных систем.
9.2. Основные вопросы организации циклов. Характерные рабочие процессы генераторов холода. Холодопроизводящие процессы в циклах низкотемпературных установок.
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.
Глава X. Особенности классических циклов низкотемпературных установок.
10.1. Характерные особенности циклов с дросселированием и основные этапы их развития.
10.2. Циклы с детандированием и основные этапы их развития.
10.3. Сравнение параметров и характеристик классических детандерных циклов низкого, среднего и высокого давления для ожижения воздуха.
10.4. Рефрижераторные циклы на основе процесса выхлопа.
Глава XI. Газовые циклы.
11.1. Газовые интегрированные циклы тепловых насосов для одновременной генерации тепла и холода.
11.2. Цикл с «горячим» рекуператором.
11.3. Цикл с «холодным» рекуператором.
11.4. Цикл с общим «горяче-холодным» рекуператором.
11.5. Цикл без рекуператора.
11.6. Однопоточный каскадный цикл А.П. Клименко.
11.7. Циклы поршневых газовых холодильных машин и пульсационных криогенераторов (обратные холодильные циклы Стирлинга и Эриксона, циклы Гиффорда - Мак-Магона, циклы пульсационных криогенераторов, цикл Вюлемье - Такониса).
Глава XII. Применение энтропийно-статистического метода термодинамического анализа для исследования различных процессов и циклов низкотемпературных систем и установок с потоками рабочего тела.
12.1. Примеры нелогичности и нецелесообразности применения эксергетического варианта термодинамического анализа для исследования низкотемпературных процессов.
12.2. Исследование классического цикла парокомпрессионной холодильной машины. Термодинамический анализ фреонового (R22) рефрижераторного цикла.
12.3. Исследование классического цикла высокого давления (Линде - Хемпсона) для ожижения воздуха.
12.4. Исследование цикла среднего давления с детандером Ж. Клода для ожижения воздуха.
12.5. Исследование цикла высокого давления с детандером П. Гейландта для ожижения воздуха.
12.6. Анализ воздушного рефрижераторного рекуперативного цикла низкого давления с детандером (обратный цикл Брайтона).
12.7. Энтропийно-статистический анализ воздушного рекуперативного цикла низкого давления с детандером для ожижения воздуха (цикл П.Л. Капицы).
12.8. Энтропийно-статистический анализ установок сжижения природного газа малой производительности.
12.9. Энтропийно-статистический анализ классических холодильных циклов для систем кондиционирования воздуха.
12.10. Аккумулирование холода, как способ энергосбережения и оптимизации энергопотребления.
12.11. Анализ воздушного интегрированного цикла для одновременной генерации тепла и холода.
Приложение.

Купить .





Теги: учебник по физике :: физика :: Архаров :: криология