WWW.NEW.PDFM.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Собрание документов
 


«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, ...»

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 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 .

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

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 системах. По своему характеру эта монография является как бы беседами об основаниях криологии и предполагает определенный уровень подготовленности читателя, но главное – уровень его заинтересованности в осознании основ инженерной криологии .

Идея этой книги возникла давно: на рубеже 80–90-х гг. ушедшего столетия. Автор ставил своей целью и стремился написать предельно 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 теоремы о холодопроизводительности низкотемпературных циклов и установок с потоками рабочего тела периодически уточнялась и обдумывалась на протяжении ряда лет. То же самое следует сказать и о формировании методологии энтропийно-статистического анализа, которая впервые широко представлена в этой книге .

8 Предисловие Длительность обдумывания и размышлений никоим образом не являются гарантией безупречности этой книги, и автор примет все замечания с благодарностью, тем более что некоторые идеи и обобщения высказаны, как мне представляется, впервые и, естественно, могут и должны обсуждаться .

Возможность работать над такой книгой часто обращала воображение и память к моим учителям в разные периоды жизни:

в школьные годы – к Маргарите Николаевне Демьянович, Екатерине Николаевне Курило, Льву Ардальоновичу Мищенюку, Евгении Николаевне Жудро, Вере Владимировне Сказкиной, Евгении Николаевне Домбровской, Александру Васильевичу Морозкину, Александре Алексеевне Краснощековой, Николаю Николаевичу Новикову .

Школа № 59 им. Н.В. Гоголя Киевского района Москвы (в Староконюшенном переулке) заложила в своих воспитанниках прочный фундамент для получения в дальнейшем любого профессионального образования. Мне посчастливилось получить его в МВТУ им. Н.Э. Баумана по специальности «Холодильные и компрессорные машины» (кафедра ХКМ) факультета «Тепловые и гидравлические машины». У нас были великолепные наставники, выдающиеся деятели науки и техники.

Они воспитывали в нас любовь и творческое отношение к инженерному делу, поднимая его на уровень искусства, 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 классической русской инженерной школы вообще и конкретно МВТУ (ныне МГТУ) им. Н.Э. Баумана .

На всю жизнь запомнились лекции Адольфа Павловича Юшкевича 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 гидравлике, Виктора Александровича Летенко по организации производства, Ники Алексеевны Скворцовой по теории механизмов и машин, Михаила Васильевича Носова по термодинамике, Владимира Евгеньевича Цыдзика по холодильным машинам, Семена Яковлевича Герша по глубокому охлаждению, Виктора Александровича Румянцева по компрессорным машинам, Федора Макаровича Чистякова по турбохолодильным машинам, Ирины Васильевны Предисловие 9 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 кандидатской диссертации был профессор Семен Яковлевич Герш – основатель в МВТУ им. Н.Э. Баумана (1933–1934) первой в СССР и в России 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 Головинцовым, Григором Арутюновичем Шаумяном, Михаилом Петровичем Вукаловичем, Нисоном Ильичем Гельпериным, Львом Марковичем Розенфельдом, Григорием Ивановичем Ворониным, Николаем Антоновичем Доллежалем, Александром Адольфовичем Гухманом, Петром Леонидовичем Капицей, Владимиром Сергеевичем Мартыновским, Владиславом Диамидовичем Лубенцом, Владимиром Васильевичем Уваровым, Валентином Петровичем Алексеевым, Михаилом Петровичем Малковым, Михаилом Георгиевичем Кругловым, Сергеем Дмитриевичем Гришиным, Иваном Петровичем Усюкиным, Верой Ивановной Епифановой, Михаилом Борисовичем Столпером, Федором Антоновичем Русаком, Александром Петровичем Клименко, Леонидом Зиновьевичем Мельцером, Абрамом Борисовичем Фрадковым, Семеном Самойловичем Будневичем, Григорием Борисовичем Наринским, Юрием Владимировичем Петровским, Александром Григорьевичем Зельдовичем, Владимиром Григорьевичем Фастовским, Георгием Анатольевичем Головко, Игорем Игнатьевичем Ореховым, Львом Самойловичем Аксельродом, Евгением Ивановичем Микулиным, Владимиром Николаевичем Козловым, Александром Дмитриевичем Сусловым, Анатолием Сергеевичем Нуждиным, Александром Васильевичем Быковым, Владимиром Ивановичем Лощиловым, Алексеем Николаевичем Антоновым, Владимиром Ивановичем Петровым, а также с зарубежными 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, воспринимаются с большой теплотой и интересом. Дискуссии с ними постоянно укрепляли и углубляли убежденность в том, насколько важно в практической научной и инженерной деятельности ясное понимание физической сущности изучаемых процессов в машинах 10 Предисловие и установках и их адекватное термодинамическое описание. Искренне 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 Александру Ивановичу Леонтьеву, канд. физ.-мат. наук Геннадию Николаевичу Бичеву, д-ру техн. наук, профессору Николаю Павловичу Козлову, канд. техн. наук Игорю Георгиевичу Суровцеву, чл.-кор. РАН Евгению Викторовичу Аметистову, канд. техн. наук Виктору Ивановичу Шатрову, канд. техн. наук Геннадию Федоровичу Шеину, академику РАН Игорю Борисовичу Федорову, д-ру техн. наук, профессору Игорю Мартыновичу Калниню, д-ру техн. наук Николаю Васильевичу Филину, д-ру техн. наук Валерию Никаноровичу Афанасьеву, канд. техн. наук Владимиру Ивановичу Куприянову, д-ру техн. наук Александру Александровичу Макарову, профессору Леониду 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, профессору Борису Григорьевичу Покусаеву, д-ру техн. наук, профессору Вячеславу Владимировичу Сычеву, д-ру техн. наук, профессору Анатолию Александровичу Александрову, д-ру техн. наук, профессору Евгению Ивановичу Борзенко, чл.-кор. РАН Александру Викторовичу Клименко, д-ру техн. наук, профессору Валерию Александровичу Матвееву, д-ру техн. наук Олегу Борисовичу Цветкову, д-ру техн. наук Александру Владимировичу Бараненко, д-ру техн. наук, профессору Дмитрию Игоревичу Цыганову, д-ру мед. наук Михаилу Израильевичу Перельману, д-ру мед. наук Антонине Валентиновне Буториной, д-ру мед. наук Владимиру Васильевичу Шафранову, канд. техн. наук Константину Константиновичу Соколову, д-ру техн. наук, профессору Сергею Борисовичу Нестерову, всем моим друзьям, коллегам и ученикам. Особо хочу подчеркнуть плодотворность совместных с профессором В.В. Сычевым дискуссий с профессором В.М. Бродянским, результаты которых отражены в статьях и частично в этой книге .

Необходимо ответить на два вопроса .

Предисловие 11 Первый: «Для чего (зачем или почему) написана эта книга?»

Для того чтобы акцентировать внимание на том, что термодинамические основы искусственного охлаждения едины во всем возможном диапазоне низких температур – вплоть до 0 K!

Чтобы показать, сколь разнообразны возможные варианты преобразований (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 предложить 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 энтропийностатистического 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 практическим задачам криологии. Однако название книги «Основы криологии» обязывало меня включить ряд разделов сугубо тривиального характера, написанных мною и опубликованных ранее, но соответствующим образом дополненных. В таком виде книга представлялась более полезной для практического использования .

В определенной степени она отражает содержание лекций, прочитанных автором в МГТУ им. Н.Э. Баумана и зарубежных университетах, по курсам «Научные основы холодильной и криогенной техники», «Регенерация и разделение газов», «Криогенные поршневые 12 Предисловие детандеры», «Криогенные системы», «Научные основы искусственного охлаждения» .

Вероятно, она будет интересна историкам развития техники в ХХ в., который наряду с атомным машиностроением, радиолокацией, в том числе загоризонтной, сверхзвуковой авиацией, электроникой, телевидением, лазерной и вычислительной техникой, ракетостроением и космическими системами, оставил нам инженерную криологию – науку об искусственном холоде, методах его получения и способах использования в различных областях практической и научной деятельности – от космонавтики, металлургии и энергетики до медицины, пищевой промышленности, химии и климатехники. В книге приведено много исторических фактов, событий и имен .

Для всех тех, кто посвятил себя поиску новых идей, новых результатов 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 доцентам Е.С. Навасардян, В.В. Шишову, В.Ю. Семенову, М.А. Колосову, Н.А. Лаврову, инженерам Н.И. Комаровой и Г.Т. Юмашевой, Е.Н. Крижановской, С.Д. Красноносовой, А.Н. Колобовой, С.Б. Малахову, О.Е. Чубарову. Выражаю благодарность бывшим студентам 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 направлеПредисловие 13 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, изобретений и обобщений .

Поскольку эту монографию будут, я надеюсь, читать и молодые люди, необходимо сказать следующее. Чтобы познать предмет любой сложности надо в него влюбиться, влюбиться дерзностно! Тогда, 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 труднодоступная, но императорски значимая термодинамическая функция состояния .

Желаю успехов всем читателям .

Искренне Ваш А.М. Архаров 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, методах его получения и использования. Термин «криология» весьма емкий и может включать в себя разнообразные области знаний, интересов, направлений поисков и исследований, связанных с низкими температурами. В данной книге речь идет об инженерной криологии, т. е. в основном об искусственном холоде .

В истории человечества отношение к холоду и теплоте было различным. Огонь и теплота позволяли человеку преодолевать холод, согревать жилища, приготавливать пищу, выплавлять и обрабатывать металлы, осваивать новые территории, создавать оружие и, наконец, получать механическую работу и электроэнергию. Сформировавшийся культ огня и высоких температур вполне объективен и закономерен. Для обеспечения жизнедеятельности человек и в настоящее 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 холоду 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 искусственный. Естественный холод, например зон вечной мерзлоты, присутствует 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 .

Введение 15 Минимальные температуры природных источников холода на Земле весьма умеренны: ориентировочно они выше 200…140 K .

Однако на других планетах Солнечной системы они могут быть существенно ниже: до 15…10 K. Например, на Луне во время лунной ночи температура может составлять 90…60 K. Практическое использование природного холода пока ограниченно и часто затруднено, но с течением времени, несомненно, оно будет усиливаться, поскольку в ряде случаев открывает пути для экономии энергоресурсов, и в первую очередь электроэнергии. Вследствие этих и других причин, лежащих в руслах научного и технического поиска и улучшения качества жизни, человечество вынуждено было создавать технические системы для генерации искусственного холода практически во всем диапазоне низких температур 300...0 K. Успехи физиков и инженеров здесь удивительны: достигаемые в стационарных режимах наиболее низкие температуры составляют порядка 10–3 K, а в импульсных (кратковременных) – до 10–8 K .

Таким образом, самые низкие достигаемые температуры меньше средней температуры окружающей среды (на нашей планете 300 K) в 3·1010 раз. В то же время максимально высокие достигаемые температуры в термоядерных реакциях (порядка 108 K) превышают температуру окружающей среды только в 3·105 раз! Этот огромный диапазон возможных значений температуры континиума 10–8...108 K (своеобразное температурное пространство) уже определен, однако далеко не освоен. В области низких температур практическое применение в технике получили температуры, превышающие 0,3 K (до таких температур охлаждаются чувствительные элементы космических радиотелескопов). Температуры ниже 0,3 K используются пока только в физических исследованиях .

Значимость низких температур для нашей цивилизации сегодня имеет не менее определяющий характер, чем значимость высоких температур. Можно назвать ряд уникальных направлений, в том числе инженерной криологии, которые сформировались во второй половине XX столетия. К ним относятся криоэлектроника, микрокриогеника, криобиология, криоэнергетика, криохимия, криомедицина, климатехника. В начале нового столетия опубликованы первые работы в области нанокриогеники. Существует прямая корелляция между увеличением численности народонаселения нашей планеты и использованием искусственного холода в быту, в пищевой промышленности, химии, энергетике, металлургии, медицине, кондиционировании, системах жизнеобеспечения и в других областях. За весь ХХ в., в течение которого техника искусственного 16 Введение охлаждения сложилась и сформировалась как самостоятельная отрасль промышленности или подотрасль химического и нефтегазового машиностроения, численность населения Земли возросла с 1,7 до 6,5 млрд человек (см. далее рис. 1.1, 1.2 и 1.3) .

Криогеника – самая низкотемпературная область криологии и техники охлаждения, обеспечила получение и ожижение важнейших промышленных газов (He, H2, Ne, O2, Ar, N2, Кr, Xe, CH4), в том числе и криогенных компонентов жидкого ракетного топлива (O2, H2, CH4), что привело развитие цивилизации к началу спутниковой эпохи в 1957 г. (первый искусственный спутник СССР), полету человека в космическое пространство в 1961 г. (Ю.А. Гагарин, СССР) и выходу его в открытый космос в 1965 году (А.А. Леонов). Криогеника открыла перед человечеством возможности использования фундаментальных физических открытий в области низких температур – сверхпроводимости (2…30 K), в том числе и так называемой высокотемпературной сверхпроводимости (30…100 K), ядерного магнитного резонанса, сверхтекучести, методов повышения чувствительности различных приемников излучений и колебаний, способов получения глубокого вакуума, возможности консервации крови, костного мозга, спермы и эмбрионов, проведения уникальных криохирургических операций, например по удалению больших сосудистых опухолей у детей (гемангиом), и многое другое. За выдающиеся открытия, исследования и уникальные конструкторские разработки в области низких температур в ХХ веке было присуждено 8 Нобелевских, 9 Ленинских премий и 25 Государственных премий СССР и России. Один раз в четыре года присуждаются премии Международным (Парижским) институтом холода, который был основан в 1908 г .

Природный холод использовался человеком с доисторических времен, прежде всего, для сохранения продуктов питания. Кроме того, были придуманы различные мороженые лакомства. В Римской Империи мороженое изготавливали из природного снега со склонов Этны с добавками сахара и фруктов. В Китае, по свидетельствам великого путешественника Марко Поло, мороженое делали из молока, снега и сливок. В древние и античные времена уже были известны простейшие методы искусственного охлаждения (испарение, излучение, растворение, смешение), например пористые кувшины (и посуда) в древнем Египте .

В новейшей истории проблема холода была поставлена в научном плане, и криология зародилась в рамках учения о теплоте в ХVIII в. Об этом свидетельствуют дошедшие до нас первые публикации И. Ньютона «О шкале Введение 17 степеней тепла и холода» (1701), М. Ломоносова «Размышления о причине тепла и холода» (1744) и Л. Эйлера (премия Парижской академии наук за работу «О природе тепла» (1752)) .

Существенное ускорение в своем развитии инженерная криология получила во второй половине ХIХ века в ходе создания первых охлаждающих машин и установок и главным образом физических исследований по ожижению газов. В конце ХIХ века были построены первые коммерческие рефрижераторные суда, что сыграло большую роль в изменении характера международной торговли продуктами питания. И, наконец, в ХХ веке, произошло стремительное становление и формирование холодильной и криогенной промышленности (в целом, криоиндустрии), отвечавшее требованиям при постоянно расширявшемся практическом использовании низких температур .

В скрижали криологии навечно вписаны имена выдающихся изобретателей, ученых и естествоиспытателей: Михаила Васильевича Ломоносова (1711–1765), Ван Марума (1750–1837), Антуана Лавуазье (1743–1794), Жозефа Гей-Люссака (1778–1850), Майкла Фарадея (1791–1867), Сади Карно (1796–1832), Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824–1907), Джеймса-Прескотта Джоуля (1818– 1889), Томаса Эндрюса (1813–1885), Луи-Пауля Кальете (1832– 1913) (18771), Луи Шарля Абеля Телье (1828–1913) (18472), РауляПьера Пикте (1846–1929) (18771), Рудольфа Клаузиуса (1822–1888), Дмитрия Ивановича Менделеева (1834–1907), Джеймса Дьюара (1842–1923) (18983), Джона Горье (1803–1855) (~18444), Якоба Перкинса (1766–1849) (~18345), Вильгельма Сименса (1823–1883) (~18656), Фердинанда Карре (1824–1900) (~18597), Кароля Ольшевского (1846–1915), Зигмунда Вроблевского (1845–1888), Иоганеса Первое ожижение кислорода, практически одновременно с Раулем Пикте .

Начало разработки цикла парокомпрессионной аммиачной холодильной машины. В 1876 г. построил первую парокомпрессионную холодильную установку для морского судна .

Ожижение водорода в цикле с дросселированием и предварительным охлаждением .

Создание первой воздушной холодильной машины .

Создание парокомпрессионной холодильной машины на этиловом эфире .

Разработка и построение первого цикла с детандером и регенеративным теплообменником для ожижения воздуха непосредственно в процессе расширения. Ожижение не достигнуто .

Создание первой абсорбционной холодильной машины .

18 Введение Дидерика Ван-дер Ваальса (1837–1923), Карла Линде (1842–1934) (18751), Жоржа Клода (1870–1960) (19022), Пауля Гейландта (1891– 1947) (19073), Гейке Камерлинг Оннеса (1853–1926) (19084), Френсиса Симона (1893–1956) (19325), Вальтера Нернста (1864–1941), Петра Леонидовича Капицы (1894–1996) (19346) (19387), Льва Давидовича Ландау (1908–1968), Вилиса Карриера (1876–1950) (1930– 1940-е годы8) и многих их сподвижников и последователей .

В истории инженерной криологии, как и в других науках, было немало счастливых случайностей, находок, человеческих прозрений и заблуждений, практической востребованности, теоретических обоснований и предсказаний, выдающихся открытий. Все это стимулировало ее развитие, которое в итоге дало большой объем новых возможностей, знаний и информации. Приведем только один пример.

Если на основе термодинамики высоких температур и теплоэнергетики были даны оценки предельных и реальных коэффициентов непрерывного преобразования теплоты в работу или электроэнергию (вариант тепловых двигателей с коэффициентом преобразования меньше единицы), то термодинамика и техника низких температур дали значения подобных коэффициентов для четырех других вариантов непрерывного, непрямого преобразования:

преобразования работы или электроэнергии в холод (вариант генераторов холода с коэффициентом преобразования больше и меньше единицы в зависимости от температурного уровня генерируемого холода); неэквивалентного, непрямого преобразования работы или электроэнергии в теплоту (вариант тепловых насосов с коэффициентом преобразования больше единицы); непрямого, неэквивалентВ 1875 г. основал производство аммиачных холодильных машин .

К 1890 г. его компания выпустила около 1000 машин. В 1892 г. ожижил воздух в цикле высокого давления с дросселированием .

Первое успешное ожижение воздуха в цикле среднего давления (около 40 атм) с детандером .

Первое ожижение воздуха в цикле высокого давления с детандером .

Первое ожижение гелия в цикле с дросселированием и предварительным охлаждением .

Осуществление ожижения гелия методом десорбции. Ему же принадлежит ожижение гелия экспансионным методом Кальете .

Первое ожижение гелия в цикле с детандером .

Ожижение воздуха в цикле одного низкого давления. Первое в истории наблюдение выхода жидкого воздуха непосредственно из расширительной машины .

Создание кондиционеров воздуха и фреоновых холодильных машин .

Введение 19 ного преобразования высокотемпературной теплоты в холод и преобразования теплоты окружающей среды в работу при наличии низкотемпературных резервуаров для стока теплоты (вариант «холодных» двигателей с коэффициентом преобразования меньше единицы) .

Помимо этого комбинации перечисленных вариантов взаимных преобразований теплоты и работы позволили осуществить различные типы термотрансформаторов и создать системы одновременного энерго-, тепло- и хладоснабжения. Эти и другие интересные и важные проблемы отчасти обсуждаются в данной книге .

Работая на протяжении многих лет в области получения и использования низких температур, участвуя в разработке и создании ряда новых установок, автор глубоко убежден, что роль инженерной криологии будет в будущем возрастать. Даже беглый, ретроспективный взгляд на проблему холода и теплоты позволяет сделать такой вывод .

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 Области использования низких температур, криопродуктов и низкотемпературных технологий, отражающие вклад инженерной криологии в развитие цивилизации и роль искусственно генерируемого холода, приведены на рис. 1.1, 1.2 .

Решающее значение низких температур в технологиях производства, хранения и транспортировки продуктов питания, а также в климатехнике обеспечило увеличение продолжительности жизни и численности народонаселения нашей планеты (рис. 1.3). В эпоху искусственного холода и искусственного климата (практически на протяжении ХХ столетия) прирост населения составил около 4,8 млрд человек, или порядка 77 % прироста населения за все второе тысячелетие!

Очевидно, что развитие инженерной криологии не происходило обособленно, при этом были использованы достижения науки и техники различных областей, и в первую очередь энергомашиностроения и приборостроения, и тем не менее без искусственного охлаждения такое увеличение численности жителей нашей планеты было бы не возможно .

К настоящему времени сформировалась большая и исключительно важная область научно-практической и коммерческой деятельности – криология. Использование низких температур в традиционных и новых областях техники и технологий постоянно увеличивается, в том числе и в России. Только в Москве функционирует более 600 предприятий этого профиля .

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 Понятие температуры как степени нагретости и охлажденности тел формировалось с очень давних времен на протяжении столетий .

Для определения температуры были предложены различные температурные шкалы: А. Авогадро, И. Ньютона, Г. Галилея, М. Ломоносова, Д. Менделеева и многие другие. История указывает, что их общее число составляет около 150 наименований. До сих пор в разных странах используются шкалы Фаренгейта, Реомюра, Цельсия, Ранкина. В каждой из этих шкал были выделены так называемые реперные точки, которым были присвоены определенные значения температуры. Например, в современной международной практической температурной шкале Цельсия такими реперными точками являются точка замерзания воды; точки кипения воды, кислорода, водорода, гелия; точки плавления серы, серебра и др .

Интервалы между реперными точками делили на определенное число градусов и в результате определяли цену одного деления (т. е. градуса). Для каждого интервала устанавливали свой способ интерполяции. Для практического измерения температуры были созданы приборы-термометры, в которых рабочим веществом могли быть жидкости (ртуть, спирт), газы (водород, гелий) и твердые вещества (платина, медь-константановые и другие спаи, полупроводники, биметаллы и т. д.). При изменении измеряемой температуры изменяются параметры этих рабочих веществ, зависящие от температуры. Например, объем – в случае жидкостей и газов;

ГЛАВА III

КЛАССИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ

ИНЖЕНЕРНОЙ КРИОЛОГИИ И ТЕОРЕТИЧЕСКИ

МИНИМАЛЬНО НЕОБХОДИМАЯ ЭНЕРГИЯ

ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Из предыдущих глав (см. рис. 1.1, 1.2, 1.3, 2.5, 2.6 и 2.8) понятно, что методами инженерной криологии решаются самые различные практические задачи. Однако технологическое существо их не столь разнообразно и обозначено в названиях подразделов этой главы .

Для оценки степени термодинамического совершенства, т. е.

энергетической эффективности реальных установок, необходимо знать величины минимально необходимых затрат энергии (работы) для реализации той или иной проблемы или достижения желаемого результата и соотносить их с действительными затратами энергии:

lmin терм =. (3.1) lдейств

3.1. Охлаждение (при p = const или v = const) Непрерывное понижение температуры тел от T1 до T2 при постоянном давлении или объеме. Весьма часто необходимо охлаждение при условии, когда начальная температура тел равна температуре окружающей среды T1 = T0 (рис. 3.1, а). Если отводимая теплота передается от тела в окружающую среду обратимым путем, то затраты энергии на охлаждение минимальны:

для открытой системы – (lmin ) p = const = Т0 (s1 – s2 ) – (h1 – h2 ); (3.2) для закрытой системы – (lmin ) v = const = Т0 (s1 – s2 ) – (u1 – u2 ). (3.3) 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 ЭНТРОПИЙНОСТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

Для практической реализации различных технологических задач используются как машинные, так и безмашинные системы .

В настоящее время наиболее широко распространены машинные системы, основные из которых рассмотрены ниже .

–  –  –

Реальные (действительные величины) затрачиваемой или получаемой работы (электроэнергии) на практике измеряются в процессе эксплуатации энергооборудования соответствующими (в основном электрическими) приборами. На стадиях исследования, анализа и проектирования энергооборудования они могут быть в первом приближении определены расчетными методами, базирующимися на принципах сохранения массы и энергии (Первый закон термодинамики), а также на принципе возрастания энтропии в адиабатно изолированной системе вследствие необратимости рабочих процессов (Второй закон термодинамики). Плюс к этому нужна дополнительная (расчетная или экспериментальная) информация, поскольку энергетические потери, обусловленные необратимостью для целого ряда реальных рабочих процессов, не могут быть определены чисто термодинамическими методами .

Проблема определения реальных величин энергетических потерь в НТУ существует давно, с первых этапов их промышленного производства. Методология определения потерь развивалась поэтапно в соответствии с развитием термодинамического анализа, который исходно разрабатывался для высокотемпературных систем – генераторов работы. Наиболее доступными для определения оказались энергетические потери теоретических низкотемпературных циклов. Основной причиной, затрудняющей анализ реальных НТУ и их циклов, является количественная взаимообусловленность и взаимозависимость всех видов энергетических потерь, и то, весьма характерное немаловажное обстоятельство, что в любых ГЛАВА VI

ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОЧИХ

ПРОЦЕССОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ

СИСТЕМ – ГЕНЕРАТОРОВ ХОЛОДА

Для непрерывной генерации холода и осуществления непрерывного искусственного охлаждения в НТУ реализуют разнообразные циклы. Любой цикл включает в себя несколько процессов, и по крайней мере один из них должен сопровождаться эффектом понижения температуры в адиабатных условиях или поглощением теплоты в изотермических условиях (табл. 6.1). Кроме того, для организации циклов необходимы другие процессы: сжатия газов и паров;

охлаждения сжатого рабочего тела и передачи теплоты сжатия в окружающую среду или какому-либо приемнику теплоты; передачи теплоты от охлаждаемого тела в цикл; процессы конденсации, рекуперации холода и др. В результате процессов рекуперативного (или регенеративного) теплообмена обеспечивается достижение заданной низкой температуры .

6.1. О работе сжатия и расширения в низкотемпературных системах с потоками рабочего тела При непрерывной генерации холода в циклах НТУ с потоками рабочего тела необходимая для получения холодопроизводительности энергия (работа) затрачивается в процессах сжатия рабочего тела. Работа расширения, если она возвращается в цикл и используется, например, снова при сжатии, естественно уменьшает энергопотребление низкотемпературных систем. Известно два варианта осуществления теоретически равновесных (т. е. обратимых) процессов сжатия и расширения: изотермическое и адиабатное. Весьма принципиально, что при одинаковых начальных температуре ГЛАВА VII

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НАИБОЛЕЕ

ЧАСТО РЕАЛИЗУЕМЫХ ПРОЦЕССОВ,

СОПРОВОЖДАЮЩИХСЯ ПОНИЖЕНИЕМ

ТЕМПЕРАТУРЫ

Такой анализ необходим для понимания физической сущности основных процессов и возможностей их использования в конкретных низкотемпературных системах .

7.1. Процесс h = const. Дросселирование газов, паров и жидкостей в открытой системе Этот процесс в зарубежной технической литературе иногда называется процессом Джоуля – Томсона (они впервые исследовали его экспериментально). В старой русской литературе по термодинамике он назывался процессом мятия газов и паров, а в известной книге профессора А.А. Брандта «Основания термодинамики»

(1926 г.) он назван проволакиванием. Поэтому за всей внешней простотой этого процесса скрывается необходимость очень точного определения условий его осуществления .

Адиабатное расширение газа, пара или жидкости в открытой жесткой системе в условиях стационарного течения без совершения внешней работы и приращения скорости на контрольной поверхности называется дросселированием. Следует подчеркнуть, что стационарность течения предполагает в первую очередь постоянство давления и температуры и отсутствие пульсаций на входе и выходе потока из открытой системы после дросселирования, а условие отсутствия приращения скорости течения на контрольной поверхности открытой системы не исключает возможности ее местного увеличения (или уменьшения) внутри системы, например в самом дроссельном устройстве. Важно также, что и система в целом не должна совершать никаких колебаний, т. е. является жесткой (см. рис. 7.1, б) .

ГЛАВА VIII

ОДНОРАЗОВОЕ (КРАТКОВРЕМЕННОЕ)

И НЕПРЕРЫВНОЕ (ДЛИТЕЛЬНОЕ) ОХЛАЖДЕНИЕ

Чтобы охладить какое-либо вещество или объект, его можно ввести в тепловой контакт с более холодным (менее нагретым) рабочим телом. Можно также непосредственно понизить температуру вещества, уменьшив каким-либо другим способом его внутреннюю энергию или (для потока) энтальпию. Понизить температуру газообразного вещества можно путем изменения других параметров состояния – давления и объема. Поэтому искусственное охлаждение и генерация холода обычно сопряжены с процессами отвода энергии (в любой форме) и изменением параметров состояния .

Следует различать два практических варианта охлаждения: одноразовое (кратковременное) и непрерывное (длительное) .

8.1. Принципы и способы одноразового (кратковременного) охлаждения Опыт показывает, что во многих реальных случаях одноразовое (кратковременное) охлаждение может осуществляться наиболее простыми и достаточно экономичными способами за счет использования запасов хладоносителей или хладагентов1. При этом востребованный диапазон температур охлаждения Тх может быть очень широким, ориентировочно от 1 до 285 K. Примерами кратковременного Хладоноситель – любое вещество или тело, в любом физическом состоянии имеющее температуру Тх ниже температуры окружающей среды Т0, например лед воды, жидкий азот, гелий и другие газы и твердые вещества (см. рис. 1.2). Хладагент – вещество в определенном физическом состоянии (газ, жидкость, твердое тело), которое может очень долго храниться при температуре окружающей среды, но при осуществлении какого-либо процесса (дросселирование, выхлоп, детандирование, размагничивание и др.) понижает свою температуру .

ГЛАВА IX

ГЕНЕРАЦИЯ ХОЛОДА В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ

ЦИКЛАХ Для непрерывного искусственного охлаждения в низкотемпературных установках реализуются различные циклы с разными рабочими телами – хладагентами .

9.1. Рабочие тела низкотемпературных систем Существует очень большое число хладагентов (их более 100, но активно используются порядка 20), различающихся своими характерными свойствами (например, фреоны – R134 А, R22, аммиак – R717, диметиловый эфир – E170, вода – R718, гелий – R704, азот – R720, углекислота – R744 и др. Характеристики основных рабочих тел приведены в табл. 9.1. Смесевые хладагенты здесь не указаны, но они также широко используются .

Выбор хладагента осуществляется в зависимости от необходимой температуры охлаждения, специфических технических и экологических требований, и во многом определяет эксплуатационные и конструктивные показатели низкотемпературных установок. Известные хлор- и фторсодержащие фреоны были объявлены озоноопасными – разрушающими озоновый слой атмосферы Земли, расположенный на высоте около 25 км. По этой причине один из самых распространенных – фреон R12 был запрещен к применению, начиная с 1995 г. Несколько позднее были сформулированы требования к рабочим телам по их влиянию на «парниковый эффект» нашей планеты. В результате фреон 134 А, активно внедрявшийся вместо R12, оказался в этом отношении тоже не совершенным (см. табл. 9.1) .

Сегодня мировым сообществом по этим признакам установлены два критерия для сравнения хладагентов: потенциал озоноразрушающей способности ODP и потенциал влияния на глобальное потепление GWP. Плюс к этому важными требованиями ГЛАВА Х

ОСОБЕННОСТИ КЛАССИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК

Разработчиками классических циклов были выдающиеся инженеры и ученые, внесшие огромный вклад в развитие техники низких температур. Циклы низкотемпературных установок подробно описаны во многих работах. Поэтому здесь приведены краткие описания наиболее распространенных циклов и этапы их развития в табличной форме. Однако в главе XII впервые приведены результаты энтропийно-статистического анализа целого ряда основных низкотемпературных циклов. К классическим циклам, несомненно, могут быть отнесены циклы с дросселированием (Ш. Телье, К. Линде, В. Хемпсона, Дж. Дьюара, Г.К. Оннеса, А.П. Клименко и других), с детандированием (Дж. Горье, В. Сименса, Ж. Клода, П. Гейландта, П. Капицы, Ф. Симона, С. Коллинза и других), а также циклы газовых холодильных машин Стирлинга, Эриксона, Вюлемье – Такониса, Гиффорда – МакМагона, циклы пульсационных, волновых и вихревых охладителей, циклы адсорбционных и абсорбционных холодильных установок и циклы твердотельных охлаждающих систем, созданные в разное время .

10.1. Характерные особенности циклов с дросселированием и основные этапы их развития Разнообразным циклам с дросселированием присущи следующие общие особенности .

1. Температура понижается в процессах дросселирования (h = = const) и они реализуются в безмашинных устройствах (дроссель, дюза, капилляр) в области параметров состояния реальных газов, где дроссель-эффект положителен .

ГЛАВА XI

ГАЗОВЫЕ ЦИКЛЫ

В силу каких факторов постоянно развивается наша цивилизация, как и все предыдущие? Ведь все вещества таблицы Д.И. Менделеева и известные нам законы Природы (Р. Майера, М.В. Ломоносова, И. Ньютона, Д. Джоуля, С. Карно – Э. Клапейрона – Р. Клаузиуса, А. Эйнштейна, У. Кельвина и других) остаются неизменными! Неизменен и закон Норберта Виннера о том, что «никакая обработка информации не может увеличить ее объема». Так почему же человечество все быстрее и быстрее совершенствует орудия труда, средства передвижения, средства улучшения условий своего существования и т. п.? Ответ видится одним – благодаря поискам и реализации новых идей, благодаря новым открытиям и изобретениям, разработкам новых технологий, созданию и получению («добыче») новых материалов и новой информации. Продуктом науки является новизна идей, новизна результатов, новизна обобщений – это критерии, по которым должна оцениваться деятельность научных коллективов и индивидуумов. Именно поэтому темпы развития общества определяются в значительной мере темпами развития науки во всех ее специфических проявлениях. Думаю, что эта глава, также как и некоторые другие, содержит определенную часть новизны, которая может оказаться полезной .

11.1. Газовые интегрированные циклы тепловых насосов для одновременной генерации тепла и холода Случаи, когда одновременно необходимо генерировать высокопотенциальную теплоту и холод (низкопотенциальную теплоту) возникают все чаще и чаще. С термодинамической точки зрения любые криогенераторы являются, по сути, тепловыми насосами (или теплотрансформаторами), передающими теплоту ГЛАВА XII

ПРИМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИЙНОСТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

И ЦИКЛОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМ

И УСТАНОВОК С ПОТОКАМИ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Во второй главе было показано, что эксергетический вариант термодинамического анализа нецелесообразен для исследования низкотемпературных процессов, машин, аппаратов, установок и систем. Действительно, все понятия, в том числе и понятие эксергии как работоспособности теплоты, должны быть адекватными, т. е. одинаковыми по смыслу в едином термодинамическом температурном пространстве в любой области температур от 0 K до. Практически это означает, что понятие эксергии должно численно выражать работоспособность «падающей» теплоты, т. е .

переходящей с верхнего температурного уровня на нижний в условиях ее непрерывного, непрямого, равновесного преобразования в работу. В области же низких температур (ниже температуры окружающей среды) в абсолютном большинстве случаев энергия не генерируется, а затрачивается на «подъем» теплоты с низкого температурного уровня на более высокий. Генерация работы в области низких температур безусловно возможна, но при «падении»

теплоты (холода), что показано выше на примере «холодного»

двигателя. Поэтому для исследования низкотемпературных процессов, машин, аппаратов и установок нами развивается энтропийно-статистический вариант анализа, конкретные примеры которого приведены ниже .

ПРИЛОЖЕНИЕ К истории криологии в лицах первопроходцев В истории науки и техники особая роль принадлежит первопроходцам. Они, ведомые силой разума и интуиции, достигали порой неожиданных результатов, разрушавших сложившиеся представления. Так было в частности и с проблемой ожижения и отвердевания газов, достижения очень низких и сверхнизких температур. Труды и работы первопроходцев доносят до нас бесценную информацию .

Здесь помещены портреты многих из них. Вглядываясь в их лица, понимаешь, что они шли на подвиг во имя истины. Некоторые легко и спокойно, другие – с напряжением, но все с пониманием, что результаты их поисков будут необходимы человечеству в будущем .

В «портретной галерее» этой монографии есть две особые последние страницы. На них представлены портреты профессоров кафедры Э-4 МВТУ – МГТУ им. Н.Э. Баумана, которые создали уникальную творческую атмосферу на кафедре – атмосферу поиска, созидания и взаимного уважения. Поскольку кафедра холодильных и компрессорных машин (ХКМ), а впоследствии Э-4 «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» была в СССР и в России первой (с 1920 года) профилирующей вузовской кафедрой и оставалась единственной до 1944 года, то эта атмосфера, естественно, распространилась на всю отрасль низкотемпературного машиностроения и на все вновь созданные кафедры. Она и по сей день имеет важное значение. В результате в стране была воспитана талантливая инженерная гвардия, которая участвовала в выдающихся свершениях отечественной науки XX века – запуске первого спутника в 1957 году (К.Э. Циолковский, Ф.А. Цандер, С.П. Королев, М.К. Тихонравов, В.П. Бармин, М.К. Янгель, В.П. Глушко, Н.А. Пилюгин, А.М. Исаев, В.И. Кузнецов и другие), первом полете человека в космическое пространство в 1961 году (Ю.А. Гагарин) и выходе его в открытый космос в 1965 году (А.А. Леонов). Эти события не смогли бы состояться без современной техники низких температур, формировавшейся в ведущих мировых державах на протяжении предшествовавших столетий. Время стремительно уносит живущих сегодня от этих исторических событий, но выдающиеся идеи, мысли, свершения и интеллекты не остаются в прошлом, а уходят в будущее, о чем и свидетельствует в частности история криологии и эта «портретная галерея» .

3. Лавуазье А.Л .

1. Ломоносов М.В. 2. Ван Марум

–  –  –

1. Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765). Предвидел существование «наинизшей степени стужи, которая на земноводном шаре нигде не наблюдается» (т. е. в современной интерпретации – нуля термодинамической температуры), объяснил эффекты охлаждения при растворении («Селитра, в воде разведенная, дает столь сильную стужу, что она в пристойном сосуде среди лета замерзает»); высказал принцип сохранения материи и движения, предложил температурную шкалу, заложил основы механической теории теплоты и физической химии, открыл атмосферу на планете Венера .

2. Ван Марум (1750–1837). Первым ожижил аммиак в 1792 году .

3. Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). Считал возможным ожижение воздуха при очень низких температурах .

4. Майкл Фарадей (1791–1867). Первым ожижил хлор (1823 г.), углекислоту, сернистый водород, закись азота, циан, этилен, фосфористый водород и др. Первым добился отвердевания ряда газов (закись азота, сернистый водород и др.) .

5. Сади Карно (1796–1832). Основоположник учения о непрерывном непрямом превращении теплоты в работу. В 1824 году Приложение 503 опубликовал «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» .

6. Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799–1864). Ввел понятие цикла Карно. В 1834 году опубликовал «Мемуары о движущей силе теплоты». Предложил уравнение состояния идеальных газов и уравнение фазовых переходов первого рода. Десять лет работал в России .

7. Рудольф Клаузиус (1822–1888). Один из основателей Второго закона термодинамики. В 1850 году опубликовал работу «О движущей силе теплоты и о законах, которые могут быть выведены из этого для теории теплоты». Ввел понятие энтропии .

8. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889). Один из основателей закона сохранения энергии. Исследовал совместно с Уильямом Томсоном процесс дросселирования воздуха в 1852–1862 годах .

9. Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824–1907). Один из основателей Второго закона термодинамики. Предложил (1851– 1852 гг.) абсолютную шкалу температур. Провел ряд выдающихся экспериментов, в частности исследовал процесс дросселирования .

10. Иоганес Дидерик Ван дер Ваальс (1837–1923) («Ньютон реальных газов»). В 1873 году предложил уравнение состояния реальных газов, качественно отражающее их основные свойства .

11. Роберт Майер (1814–1878). Врач, один из основателей закона сохранения энергии. Первым в 1842 году обратил внимание на то обстоятельство, что кровь у европейцев (матросов), попавших в южные широты, менее окислена (более красная), и объяснял это тем, что часть теплоты окружающей среды переходит в совершаемую человеком работу .

12. Джон Горье (1803–1885). Создатель первой (1847 г.) воздушной холодильной машины с детандером .

13. Якоб Перкинс (1766–1849). Первым предложил парокомпрессионный цикл .

14. Фердинанд Карре (1824–1900). Создал первую абсорбционную аммиачную «ледяную машину Карре» .

15. Шарль Луи Телье (1828–1913). Создал в 1867 году первые парокомпрессионные аммиачные холодильные машины .

16. Луи Пауль Кальете (1832–1913). Первым в 1877 году добился ожижения кислорода, воздуха и азота в процессе выхлопа (так называемый экспансионный метод ожижения газов) .

17. Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907). Ввел в 1861 году понятие «абсолютной температуры кипения» (т. е. температуры 504 Приложение критической точки). Активно пропагандировал развитие техники низких температур в России .

18. Томас Эндрюс (1813–1885). Сформулировал в 1869 году понятие «температуры критической точки» .

19. Рауль Пикте (1848–1929). Создал первые каскадные низкотемпературные парокомпрессионные установки. Добился ожижения ряда промышленных газов .

20. Зигмунд Вроблевский (1845–1888) совместно с

21. Каролем Ольшевским (1846–1915) создали Краковскую криогенную лабораторию, в которой развивали и усовершенствовали экспансионный метод ожижения газов Луи Кальете .

22. Вальтер Нернст (1864–1941). Сформулировал в 1906 году Третий закон термодинамики (принцип недостижимости нуля термодинамической температуры). Открыл термомагнитный эффект (эффект Нернста – Эттингхаузена) .

23. Карл фон Линде (1842–1934). Первым в Германии ожижил воздух (1895–1896 гг.) в установке высокого давления (200 атм) с дросселированием. Основал фирму «Линде». Построил первые воздухоразделительные установки .

24. Жорж Клод (1870–1960). Первым в 1902 году ожижил воздух в установке среднего давления (40 атм) с детандером. Предложил и реализовал метод ректификации для разделения воздуха .

Основал фирму «Эйр Ликид» .

25. Гейке Камерлинг – Оннес (1853–1926). Первым в 1908 г. ожижил гелий в установке с дросселированием и предварительным многоступенчатым охлаждением с использованием жидких азота и водорода под вакуумом. Открыл явление сверхпроводимости .

26. Уильям Хемпсон (1859–1926). Первым в Англии в 1895 г. ожижил воздух в установке высокого давления (200 атм) с дросселированием .

27. Джеймс Дьюар (1842–1923). Первым в 1898 году ожижил водород в установке с дросселированием и предварительным охлаждением жидким азотом. Изобрел знаменитый сосуд Дьюара .

28. Петр Леонидович Капица (1894–1984). Первым осуществил в 1934 году ожижение гелия (в Англии) в установке с детандером и предварительным азотным охлаждением. Первым в 1938 году в СССР ожижил воздух в установке одного низкого давления (6 атм) с турбодетандером и впервые наблюдал жидкий воздух на выходе из турбодетандера. Основал ИнстиПриложение 505 тут физических проблем, ВНИИкимаш и кафедру в МИХМе .

Провел ряд уникальных исследований, в том числе сверхтекучести .

29. Пауль Гейландт (1884–1947). Предложил и реализовал цикл высокого давления (200 атм) с детандером для ожижения воздуха. Построил установки (Г-540) для получения 540 кг в час жидкого кислорода в Пенемюнде (1943–1944 гг.) для заправки им ракетных снарядов «ФАУ» .

30. Френсис Симон (1893–1956). Первым в 1932 году ожижил гелий экспансионным методом (развитие метода Луи Кальете) .

31. Уильям Кизом (1887–1949). Первым добился в 1926 году отвердевания гелия и получения температур около 0,71 K методом откачки паров жидкого гелия с помощью батареи масляных диффузионных насосов. Автор монографии «Гелий» (1942 г.;

1949 г. – русское издание) .

32. Лев Давыдович Ландау (1908–1968). Предложил теорию сверхтекучести и теорию сверхпроводимости .

33. Самуэль Коллинз (1898–1984). Создал серию каскадных детандерных ожижителей гелия, включая первый ожижитель с жидкостной детандерной ступенью (с парожидкостным детандером) .

34. Джон Бардин (1908–1991). Один из авторов микроскопической теории сверхпроводимости. Создатель первого транзистора (1948 г.) .

35. Джон Кёлер (1903–1987). Совместно с К. Джонкерсом на фирме «Филипс» создали в 1953–1954 гг. первый криогенератор, работающий по обратному циклу Стирлинга .

36. Виллис Кэрриер (1876–1950). Создал в США первые кондиционеры воздуха, вначале для промышленных целей, и тепловые насосы. Основал фирму «Кэрриер» .

37. Уильям Гиффорд (1916–1980). Разработал в Сиракузском университете (США) совместно с Х. Мак-Магоном в 1959 г. новый оригинальный цикл и криогенератор с периодически повторяющимся процессом выхлопа, а позднее пульсационные трубы (совместно с Лонгсвортом) .

38. Борис Степанович Неганов (1928–2012). Совместно с Н. Борисовым и М. Либургом впервые реализовали в СССР идею Х. Лондона и создали первый рефрижератор растворения (3Не в 4Не II) в 1964–1965 годах, который в стационарном режиме обеспечивает охлаждение на уровне 0,001 K .

39. Александр Петрович Клименко (1916–1991). Впервые в 1959 году в СССР предложил и реализовал каскадный одноПриложение поточный цикл на смесях рабочих веществ для ожижения газов .

Этот цикл начал широко использоваться, в частности фирмой AirProducts .

40. Михаил Петрович Малков (1909–1991). Впервые в 1955– 1958 гг. разработал в ИФП АН СССР промышленный метод получения дейтерия методом дистилляции жидкого водорода .

Главный редактор справочника по физико-техническим основам криогеники (1985 г.), заместитель П.Л. Капицы по научной работе .

41. Владимир Сергеевич Мартыновский (1906–1973). Сформировал в г. Одессе Государственную академию холода и был ее ректором. Предложил и реализовал совместно с С.К. Туманским и М.Г. Дубинским воздушный рефрижераторный цикл в области давления ниже атмосферного, так называемый «русский цикл» (Russian cycle) машины «ТХМ-300», созданной для быстрого замораживания морепродуктов .

42. Игорь Алексеевич Глебов (1914–2002). Академик АН СССР .

Впервые создал в СССР электрогенератор со сверхпроводящими обмотками мощностью 300 МВт .

43. Владимир Евгеньевич Цыдзик (1886–1958). Основал первую в России холодильную лабораторию в Московском императорском техническом училище в 1914 г. и кафедру холодильных и компрессорных машин (ХКМ) в 1920 году. Написал первый русский учебник «Холодильные машины и аппараты» .

44. Семен Яковлевич Герш (1888–1958). В 1932–1934 гг. основал первую в ВУЗах СССР в МВТУ им. Н.Э. Баумана специальность по глубокому холоду и криогенную и проблемную лаборатории (1944–1955 гг). Написал уникальный двухтомник «Глубокое охлаждение». Предложил ряд криогенных циклов среднего давления (30–60 атм) с циркуляцией для ВРУ (реализованы в НПО «Криогенмаш» в 1960-х годах) .

45. Григорий Иванович Воронин (1906–1987). Основал в МВТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре Э-4 специальность «Системы жизнеобеспечения» в 1962–1965 гг. Был генеральным директором и генеральным конструктором НПО «Наука». Внес большой вклад в создание и развитие техники кондиционирования и жизнеобеспечения для авиационных и космических систем. Написал фундаментальные монографии и учебники .

46. Андрей Григорьевич Головинцов (1909–1962). Совместно со своими учениками А.А. Роговым и В.Б. Гридиным создали Приложение 507 в МВТУ им. Н.Э. Баумана первый прямоточный детандер высокого давления .

47. Виктор Петрович Беляков (1923–1986). Основал в СССР крупнотоннажное криогенное машиностроение. Член-корреспондент РАН. Был генеральным конструктором и генеральным директором НПО «Криогенмаш» и профессором кафедры Э-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана, заведовал подобной кафедрой в МИХМе, которую основал в 1944 году П.Л. Капица .

48. Александр Дмитриевич Суслов (1923–1994). Совместно с Е.И. Микулиным и своими учениками в МВТУ им. Н.Э. Баумана предложили и исследовали пульсационные трубы с ресиверной камерой и диафрагмой (orice). Выдвинул идею использования вихревых труб для ректификации воздуха .

49. Евгений Иванович Микулин (1924–1996). Один из авторов фундаментального труда «Криогенные системы». Исследовал в МВТУ им. Н.Э. Баумана многие низкотемпературные циклы и системы, в том числе пульсационные трубы с ресиверной камерой .

50. Ирина Васильевна Марфенина (1919–2008). Один из соавторов фундаментального двухтомника «Криогенные системы» .

В 1955–1959 годах под ее руководством в МВТУ им. Н.Э. Баумана была создана первая воздушная криогенная установка с турбодетандером для обратной конденсации кислорода (Тх ~ ~ 90...100 K) .

51. Федор Макарович Чистяков (1912–1994). Основал в 1960-х годах в СССР направление «Турбохолодильные машины»

в МВТУ им. Н.Э. Баумана .

52. Анатолий Сергеевич Нуждин (1913–1977). Основал в МВТУ им. Н.Э. Баумана лабораторию малых холодильных машин .

53. Вера Ивановна Епифанова (1915–2001). С 1955 по 1966 г. работала заместителем директора по научной работе Всесоюзного научно-исследовательского института кислородного машиностроения (ВНИИКИМАШ). Профессор кафедры Э-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана. Крупный специалист в области турбодетандеростроения .

54. Николай Антонович Доллежаль (1899–2000). Профессор МВТУ им. Н.Э. Баумана. В 1930-х годах основал специальность компрессоростроение на нашей кафедре. Академик АН СССР .

Создатель первой атомной электростанции и первых атомных двигателей. Основатель кафедры Э-7 МГТУ им. Н.Э. Баумана «Ядерные реакторы и установки» .

Об авторе этой книги Архаров Алексей Михайлович родился 28 января 1931 года в г. Москве. Выпускник школы № 59 Киевского района. После окончания с отличием в 1954 г. МВТУ им. Н.Э. Баумана работал в МВТУ на должностях: старшего лаборанта, инженера, ведущего инженера, ассистента, доцента, профессора .

В 1958 году защитил кандидатскую диссертацию, в 1970 г. – докторскую диссертацию, в 1971 году утвержден в ученом звании профессора. В 1971–1972 годах работал в Лабораториях Сиракузского и Калифорнийского университетов США с профессорами У. Гиффордом и Т. Фредеркингом. С 1975 по 1988 год избирался деканом факультета «Энергомашиностроение». С 1987 года возглавляет кафедру «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» .

Профессор Архаров А.М. – заслуженный деятель науки и техники, академик РАЕН. Председатель Московского регионального отделения Международной Академии холода. Академик Европейской Академии Естественных наук (Ганновер). Лауреат государственных премий СССР (1988 г.) и России (2002 г.), премий Правительств России (2006 г.) и Москвы .

По вопросам криогенной и холодильной техники им опубликовано свыше 400 научных работ, в том числе 70 изобретений и патентов и 18 книг. Среди них «Термодинамический метод и некоторые задачи техники низких температур» – 1962 г.; «Техника низких температур» – 1964 г. (переведена в США); «Низкотемпературные газовые машины» – 1966 г.; «Криогенные поршневые детандеры» – 1974 г.; «Теория и расчет криогенных систем» – 1978 г.; «Theory and designee of cryogenic systems» – 1981 г.; «Криогенные системы»

(том I и II) – 1999 г .

Профессор А.М. Архаров является основателем и научным руководителем лаборатории газодинамических методов получения холода в МВТУ им. Н.Э. Баумана и научной школы, которой проведены фундаментальные и поисковые исследования в области криологии. Им подготовлено 44 кандидата и 12 докторов технических наук, еще трое его учеников завершают работу над докторскими и двое над кандидатскими диссертациями. Ряд исследований выполнен по заказам НПО «Наука», «Криогенмаш», «Гелиймаш», «НИИхиммаш», ОКБ «Энергия», Praxair. Читал лекции в зарубежных университетах .

Основные результаты работ профессора А.М. Архарова:

• впервые осуществлен процесс низкотемпературной ректификации жидкого воздуха в горизонтальном вращающемся ректификаторе (1956–1958 гг.);

• созданы первые в мире криогенные гелиевые установки с турбодетандерами для криостатирования жидкого водорода (1962–1966 гг.);

• разработаны принципиально новые газодинамические методы генерации холода и волновые криогенераторы (1972–1985 гг.);

• получена новая научная информация о процессах ректификации, адсорбции, вымораживания, очистки воздуха от радиоактивного криптона и оксидов азота при переработке топлив АЭС, о процессах накопления массы на орбитах, о свойствах рабочих тел охлаждающих устройств;

• введено понятие «холодопроизводящий процесс цикла»

и сформулирована теорема о холодопроизводительности любых низкотемпературных циклов с потоками рабочего тела;

• созданы первые низкотемпературные устройства, использующие материалы с эффектом «памяти формы» (1975–1980 гг.) и оригинальные аппараты для криохирургии (1977–2000 гг.);

• под его руководством разработаны новые технологические процессы для адсорбционного разделения воздуха (1975–1980 гг.), получения неона, криптона и ксенона (1993–2005 гг.) и системы диагностики двухфазных и однофазных потоков криогенных продуктов для систем криообеспечения .

Работы А.М. Архарова получили международное признание:

в 1979 г. он удостоен премии и медали Парижского Международного института холода; в 1987 г. – избран вице-президентом Научного совета этого института, а в 1995 г. – его Почетным членом .

В 2006 году ему вручена высшая награда МИХ – медаль Густава Лорентцена .

Особенность этой монографии в ее фундаментальности, а также в раскрытии и подтверждении на конкретных важных примерах возможностей энтропийно-статистического анализа низкотемпературных систем и прямого определения величин энергетических потерь в таких системах. Методология этого анализа развивается автором на протяжении последних 15 лет .

–  –  –

Сертификат соответствия № РОСС RU. AE51. H 16228 от 18.06.2012 Подписано в печать 13.12.13. Формат 6090 1/16 .

Усл. печ. л. 32. Тираж 1500 экз. (1-й з-д 1–750). Заказ №

–  –  –

Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана .

105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1 .

baumanprint@gmail.com В Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана готовится к выпуску учебник под общей редакцией А.М. Архарова и И.К. Буткевича Машины низкотемпературной техники Криогенные машины и инструменты

–  –  –

Информацию о других новых книгах можно получить на сайте Издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана http://baumanpress.ru

По вопросам приобретения обращаться в отдел реализации Издательства:

телефоны 8 499 263-60-45; 8 499 263-67-98;

факс: 8 499 261-45-97 e-mail: press@bmstu.ru В Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана вышла в свет монография А.А. Александрова, И.А. Архарова

–  –  –

Информацию о других книгах можно получить на сайте Издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана http://baumanpress.ru

По вопросам приобретения обращаться в отдел реализации Издательства:

телефоны 8 499 263-60-45; 8 499 263-67-98;

факс: 8 499 261-45-97



Похожие работы:

«УДК 553.31:551.72:550.882.7(470.325) ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ МАГНЕТИТОВЫХ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СТАРООСКОЛЬСКОГО РУДНОГО УЗЛА КМА Е. И. Дунай, И. Ф. Плужников, В. Ш. Алитдинов ООО "Бел...»

«Посвящается 80-летию пермской нефти ПЕРМСКИЙ ПЕРИОД ВАГИТ АЛЕКПЕРОВ И ЕГО КОМАНДА: ГРУППА ПРЕДПРИЯТИЙ ОАО "ЛУКОЙЛ"В ПЕРМСКОМ КРАЕ нефть, часть 1 рожденная в прикамье часть 1 "красный геолог" глава первая губкин 1 мая 1929 года на демонстрации в Перми одна из колонн демонстрантов несла бутыли с черной жидкостью — нефт...»

«~ тот большой де­ Гарри Г АРРНСОН ревянный ящик, с виду весил чел ую тонну. Дюжие но­ сильщики всунули ПОЛИЦЕИСКИЙ его в дверь поли­ чейского участка и бы­ ли таковы. Я крикнул им в окно: iЦлрС;' Зачем нам эта шту­,ковина, черт подери?ОТКУАа нам знать? ответил один из них, садясь за руль грузовика. Я не рент­ ген, просвеч...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОКТЯБРЬСКИЙ НЕФТЯНОЙ КОЛЛЕДЖ ИМ. С.И. КУВЫКИНА РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Геология ОП.04 для специальн...»

«Настоящий диагностический протокол был принят на пятой сессии Комиссии по фитосанитарным мерам в марте 2010. года.Настоящее приложение является предписывающей частью МСФМ 27:2006. МСФМ 27 Приложение 1 МЕЖДУНАРОДНЫЕ СТАНДАРТЫ ПО ФИТОСАНИТАРНЫМ МЕРАМ МСФМ 27 ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРОТОКОЛЫ ДП 1: Thrips palmi Karny (2010 год) СОДЕРЖАНИЕ...»

«© В.И. Ручкин, Ю.П. Коновалова, 2016 В.И. Ручкин, Ю.П. Коновалова УДК 622.83 ЗАВИСИМОСТЬ ДИНАМИКИ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ОТ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЕСТЕСТВЕННОЕ ТЕКТОНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ Изл...»

«                 / Докса.– 2009. – Вип. 14.  204 Андрей Худенко МЕСТО "ДРУГОГО" В ЦЕЛОСТИ ЗАБОТЫ Розглядається теза М. Гайдеґера, за якою інший має місце у розімкненні стурбованості  й  турботи.  Артикулюється  динамічна  сутність розімкнення. Ключові слов...»







 
2018 www.new.pdfm.ru - «Бесплатная электронная библиотека - собрание документов»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.