Документ описывает основы и технологии холодильной и криогенной техники, включая определения, термодинамические процессы и сферы применения. Упоминаются основные концепции, законы термодинамики, а также различные технологии, используемые в промышленности, медицине и энергетике. Также рассматриваются схемы и процессы холодильных машин и методы получения низких температур.

1. 16.03.03 Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения»
Кафедра
«Техника низких температур» им. П.Л. Капицы»
2016 1
ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
Ермолаева Полина Юрисовна
старший преподаватель кафедры

2. 2
Низкие температуры – это температуры
ниже температуры окружающей среды.
Окружающая среда – атмосферный воздух,
водоемы, грунт.

3. 3
Шкала температур
Термодинамическая шкала температур, принятая в 1954 году, позволяет установить
величину градуса по одной реперной точке – тройной точке воды, для которой
значение температуры составляет 273,16 К.
t = ( T – 273,15 K ) 0C.
Техника низких температур
(ТНТ) условно делится на:
• холодильная техника
(умеренный холод)
• криогенная техника
(глубокий холод)
Условной границей между
ними принята температура
120 К.

4. 4
Физические основы техники низких температур
Искусственное охлаждение – понижение температуры объекта ниже
температуры окружающей среды.
Искусственный холод – это теплота, температурный уровень которой ниже
температуры окружающей среды.
Естественный холод – использование температуры окружающей среды для
охлаждения различных процессов, если температура достаточно низка. Сюда
относится:
• Использование холода атмосферного воздуха в зимнее время года
• Использование холода водного льда, накопленного в зимнее время и др.
Различают 3 технологии использования холода:
• Термостатирование – охлаждение среды.
• Охлаждение – понижение температуры охлаждаемой среды на постоянную
разность температур.
• Захолаживание – понижение температуры объекта до заданной температуры.

5. 5
Техника низких температур
ТНТ для снабжения продовольствием
• сбор (производство)
• обработка
• транспортировка
• хранение
• реализация
ТНТ в промышленности
• химической
• нефтехимической
• газовой
• металлургической промышленности
• производство криопродуктов (O2, N2, He, Ar, Kr)
ТНТ искусственного климата
• системы комфортного и технологического
кондиционирования воздуха (СКВ)
• автономные СКВ – квартиры, коттеджи
• централизованные СКВ – общественные и производственные здания
• транспортные СКВ – автомобили, железнодорожные составы, самолеты, суда,
бронетанковая техника.

6. 6
Техника низких температур
ТНТ в энергетике
• тепловые насосы
• установки сжижения природного газа и водорода
• системы охлаждения сверхпроводящих материалов в
электротехнике
• криосистемы сверхпроводимости магнитов термоядерных установок
ТНТ в криомедицине и криобиологии
• криоинструменты
• низкотемпературные установки для консервации
крови
• криобанки
• криогрануляторы
ТНТ для очистки и утилизации выбросов
• очистка газовых потоков
• улавливание
• извлечение ценных компонентов из дымовых
газовых и промышленных выхлопов
• очистка сточных вод
• утилизация

7. 7
ТНТ в ракетно-космическом комплексе
• термостатирование элементов ракетного комплекса
• производство сжиженного кислорода и водорода
• заправка ракет
Техника низких температур

8. 8
Способ получения температур умеренного холода
Система, осуществляющая замкнутый термодинамический цикл, называется
холодильной машиной.
Холодильная машина (ХМ) – это машина, предназначенная для переноса
теплоты от среды с низкой температурой, с целью ее охлаждения, к среде с более
высокой температурой за счет подвода энергии от внешнего источника.
Термодинамический цикл ХМ состоит из следующих последовательных
процессов:
• Испарение (кипение) или нагрев холодильного агента при низкой температуре и
низком давлении.
• Повышение давления (сжатие) парообразного или газообразного холодильного
агента.
• Конденсация или охлаждение холодильного агента при более высокой
температуре и более высоком давлении.
• Понижение давления (расширение) холодильного агента.
Это определение для холодильной системы любого типа.

9. 9
Получение низких температур с помощью фазовых превращений
рабочих веществ
Фазовые превращения – это: кипение, испарение, плавление и сублимация.
I – линия кипения;
II – линия плавления;
III – линия сублимации.
Кр – критическая точка, в которой состояние жидкости и пара не различимы.
т. А – тройная точка равновесия трех фаз: жидкой, твердой и газообразной.

10. 10
Термодинамическая система – это совокупность тел, находящихся во взаимодействии между собой и
окружающей средой. Она, или ее часть, отделена от окружающей среды контрольной поверхностью с
заданной проницаемостью.
ХМ является термодинамической системой, находящейся во взаимодействии с окружающей средой,
характерные формы взаимодействия: тепловая и механическая.
Термодинамические процессы и циклы ХМ осуществляются с помощью рабочего вещества –
холодильного агента (ХА).
Состояние термодинамической системы характеризуется параметрами состояния рабочего вещества.
Термодинамический процесс – это процесс, при котором изменяется хотя бы один из параметров
состояния.
Термодинамический цикл – это совокупность последовательных термодинамических процессов, в
результате которых система возвращается в первоначальное состояние по всем параметрам.
Основные уравнения для расчета и анализа термодинамических процессов и циклов вытекают из первого
и второго начала термодинамики.
Основные понятия

11. 11
Основные понятия
Для термомеханической системы с двумя степенями свободы могут быть приняты следующие независимые
переменные:
p, v; T, s - независимые переменные
На основе последних могут быть образованы четыре зависимых переменных – термодинамические функции
(функции состояния ):
u = f( T, v )  внутренняя энергия
du = T · ds – p · dv
i = f( T, p )  энтальпия
di = T · ds + v · dp
f = f( s, v ) = u – T · s – свободная энергия
= f( s, p ) = i – T · s – свободная энтальпия
Выбор независимых переменных и функций состояния определяется в каждом конкретном случае характером
протекающего процесса.

12. 12
Основные законы (начала) термодинамики
Первый закон – закон сохранения и взаимного превращения энергии
dq = du + dl
Следствия:
если: dq – dl > 0, то du > 0
dq – dl < 0, то du < 0
dq = 0  dl = - du
dl = 0  dq = du
du = 0  dq = dl
Вторая форма записи:
dq = di – v · dp
при p = const dqp = diр
Откуда следует:
cp · ∆T = ∆iр

13. 13
Второй закон – определяет одностороннюю направленность само произвольных необратимых процессов:
«Теплота не может сама собой переходить от холодного тела к горячему»
Обобщающим результатом второго начала термодинамики является принцип существования (=) и
возрастания (>) энтропии
ds >= dQ / T
dQ - изменение теплоты системы;
T - температура, при которой происходит теплообмен;
ds - изменение энтропии тела (системы)
Изменение энтропии характеризует направление подвода или отвода теплоты в термодинамическом
процессе.
при q > 0 (тепло подводится)
энтропия возрастает на всем пути 2-m-1;
T'o. c > Tр.тела
при q < 0 (тепло отводится)
энтропия уменьшается на всем пути 1-n-2;
Tр.тела> To. c

14. 14
Для совершения кругового процесса необходимо иметь два уровня температур:
Тепло отбирается от тела с низкой температурой и передается
телу с более высокой температурой (окружающей среде).
Для того, чтобы произвести охлаждение, т.е. искусственно
понизить температуру, необходимо совершить работу.
q1 = q2 + l;
l = q1 – q2;
q2 = q1 – l
Для циклической работы ХМ необходимо, чтобы был не только подвод тепла,
но и отвод тепла и следовательно нужны источник тепла и теплоприемник.

15. 15
Третий закон – закон недостижимости абсолютного нуля (закон Нернста).
При T  0 ds  0; s  s0 ( к постоянной величине )
1. По мере приближения к «0» все кривые
начинают приближаться друг к другу и в итоге
сливаются в вертикальную линию, которая
заканчивается значением S0, отличного от нуля;
2. Никакая совокупность конечного числа
процессов не может понизить термодинамическую
температуру тела до нуля. К значению Т=0 К можно
приближаться сколь угодно близко, никогда его не
достигая.

16. 16
Диаграмма состояния рабочих веществ
Области:
I – двухфазное состояние жидкость-пар;
II – перегретый пар;
III – переохлажденная жидкость;
IV – двухфазное состояние твердое тело-пар;
V – двухфазное состояние твердое тело-жидкость;
VI – переохлажденное твердое тело.
Процессы:
1-2 – кипение жидкости (Р=const);
1-3 – дросселирование жидкости с
более высокого давления до более
низкого давления в области влажного
пара (двухфазной области);
4-5 – плавление твердого вещества;
6-7 – сублимация;
8-9 – дросселирование в области
перегретого пара (газа);
8-10 – расширение пара (газа) по
изоэнтропе;
11-12 – дросселирование газа за
пределами линии инверсии;
5-1 – нагрев жидкости до состояния
насыщения по Р=const;
4-5-1-2-8 – изобара.

17. 17
Обобщающая диаграмма состояния рабочего вещества в координатах P – i:

18. 18
Параметры цикла
Давление p [атм, бар, МПа]
Температура t [°С, К]
Энтальпия i [кДж/кг]
Энтропия s [кДж/кг·К]
Холод
Q0 [кВт холода, кДж/c] холодопроизводительность
q0 [кДж/кг] удельная холодопроизводительность
Тепло
Qк [кВт тепла, кДж/c] теплопроизводительность
qк [кДж/кг] удельная теплопроизводительность

19. 19
Схема
Процессы
И Испаритель
КМ Компрессор
К Конденсатор
ТРВ Регулирующее устройство
Испаритель Кипение (испарение)
Компрессор Сжатие (компрессия)
Конденсатор Конденсация
Регулирующее устройство Дросселирование

20. 20
Процессы
Испаритель При кипении меняется энтальпия, затраты
энергии равны изменению энтальпии.
Компрессор При сжатии меняется давление и энтальпия,
затраты энергии равны изменению энтальпии.
Конденсатор При конденсации меняется энтальпия, затраты
энергии равны изменению энтальпии.
Регулирующее устройство При дросселировании меняется давление.

21. 21
Особенности
Испаритель Давление постоянно (p = const)
Компрессор Энтропия постоянна (s = const)
Конденсатор Давление постоянно (p = const)
Регулирующее устройство Энтальпия постоянна (i = const)
Испаритель Кипение (испарение)
Компрессор Сжатие (компрессия)
Конденсатор Конденсация
Регулирующее устройство Дросселирование

22. 22
Диаграмма состояния вещества

23. 23
Холодильный цикл и схема
И Испаритель
КМ Компрессор
К Конденсатор
ТРВ Регулирующее
устройство
Для удобства в расчетах применяется единая система обозначения точек,
состоящая из двух цифр, разделенных точкой.
Первая цифра обозначает уровень давлений, их может быть больше двух.
Вторая цифра зависит от положения точки.
1 – перед сжатием
2 – после сжатия
3 – на правой кривой насыщения
4 – после дросселирования
6 – на левой кривой насыщения
7 – после переохлаждения
8 – после охлаждения в
регенеративном теплообменнике

24. 24
Из цикла можно узнать удельные параметры
(обозначаются строчными буквами),
если спроецировать значение на ось i.
q0 = i1.1 – i1.4 – удельная холодопроизводительность
l = i2.2 – i1.1 – удельная работа сжатия
qк = i2.2 – i2.7 – удельная теплопроизводительность
Эффективность рабочего цикла можно приближенно оценить, рассчитав значения
двух величин:
• холодильный коэффициент ε
• коэффициент преобразования μ
ε = q0 / l – характеризует эффективность холодильной машины
μ = qк / l – характеризует эффективность теплового насоса
Для более точного расчета следует провести полный расчет с учетом всех КПД
(компрессорного, электрического и т.д.).