WWW.NAUKA.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, издания, публикации
 

«Техническая физика и энергомашиностроение Редакционный совет А. А. Александров (председатель), д-р техн. наук А. А. Жердев (зам. председателя), д-р техн. наук В. Л. Бондаренко, д-р ...»

К 150-летию Научно-учебного комплекса

«Энергомашиностроение»

Техническая физика

и энергомашиностроение

Редакционный совет

А. А. Александров (председатель), д-р техн. наук

А. А. Жердев (зам. председателя), д-р техн. наук

В. Л. Бондаренко, д-р техн. наук

А. Ю. Вараксин, д-р физ.-мат. наук, член-корреспондент РАН

К. Е. Демихов д-р техн. наук

Ю. Г. Драгунов, д-р техн. наук, член-корреспондент РАН

Н. А. Иващенко, д-р техн. наук



В. И. Крылов, канд. техн. наук

М. К. Марахтанов, д-р техн. наук С. Е. Семенов, канд. техн. наук В. И. Хвесюк, д-р техн. наук Д. А. Ягодников, д-р техн. наук Машины низкотемпературной техники Криогенные машины и инструменты Под общей редакцией А. М. Архарова и И. К. Буткевича 2-е издание, исправленное Допущено Учебно-методическим объединением вузов России по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование» направления подготовки «Энергомашиностроение» и «Техника и физика низких температур»

направления подготовки «Техническая физика»

УДК 621.59(075.8) ББК 31.392 М38

Авторы:

А. Н. Антонов, А. М. Архаров, И. А. Архаров, В. Л. Бондаренко, Е. И. Борзенко, И. К. Буткевич, А. В. Буторина, А. П. Викулов, И. С. Воздвиженский, А. Ш. Кобулашвили, С. Н. Козлов, Н. А. Лавров, В. П. Леонов, В. А. Матвеев, В. Н. Митрохин, В. Н. Новотельнов, В. И. Петров, Ю. В. Пешти, В. Б. Полтараус, Б. А. Поляев, Т. М. Розеноер, М. Ю. Савинов, А. Д. Суслов, В.П. Харитонов, Д.И. Цыганов

Рецензенты:

кафедра криогенной техники Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий;

д-р техн. наук, проф. С. П. Горбачев Машины низкотемпературной техники. Криогенные машины и инМ38 струменты : учебник для вузов / [А. Н. Антонов, А. М. Архаров, И. А. Архаров и др.] ; под общ. ред. А. М. Архарова и И. К. Буткевича. – 2-е изд., испр. – Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. – 533, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-3931-7 Во втором издании (первое – 2010 г.) приведены методы расчета и конструирования криогенных машин, безмашинных криогенераторов и криоинструментов, наиболее широко применяемых в низкотемпературной технике. Рассмотрены поршневые и лопастные машины, предназначенные для криогенерации (детандеры, криогенные газовые машины) и для циркуляции криоагента (насосы), а также криогенные аппараты, реализующие струйный, вихревой, пульсационный, волновой и магнитокалорический эффекты при получении холода. Даны расчеты и конструкции специфических криогенераторов и криоинструментов, используемых в криохирургии. Описаны процессы, которые происходят в машинах и аппаратах, работающих в двухфазной области параметров состояния криоагентов.

Содержание учебника соответствует курсу лекций, который авторы читают в МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Для студентов, инженеров, магистров, аспирантов и специалистов.

УДК 621.59(075.8) ББК 31.392

–  –  –

Предисловие председателя Редакционного совета

Предисловие

Список основных сокращений

Глава 1. Области применения криогенных и низкотемпературных машин.

..... 13

1.1. Назначение криогенных и низкотемпературных машин

1.2. Основные этапы развития криогенных и низкотемпературных машин

1.3. Определение рациональной области применения расширительных машин

Глава 2. Оcобенности основных рабочих процессов расширительных машин.

24

2.1. Изменение параметров рабочего тела в полости низкотемпературной расширительной объемной машины.................. 24

2.2. Особенности процесса расширения рабочего тела в двухфазной области параметров состояния

2.3. Истечение газов. Газодинамические функции

Глава 3. Поршневые криогенные и низкотемпературные детандеры.

................ 41

3.1. Устройство, действие и классификация поршневых детандеров........ 41

3.2. Основные определения. Индикаторная диаграмма поршневого детандера

3.3. Энергетический баланс. Потери холодопроизводительности вследствие необратимости рабочих процессов. Оценка эффективности поршневого детандера

3.4. Действительный цикл поршневого детандера. Влияние реальных свойств криоагента





3.5. Алгоритм теплового расчета адиабатного поршневого детандера..... 66

3.6. Динамические характеристики поршневого детандера

3.7. Поршневое уплотнение

3.8. Механизм газораспределения

3.9. Отбор и утилизация энергии расширения газа. Защита от разноса....98

3.10. Основные конструктивные особенности воздушных, водородных и гелиевых поршневых детандеров

3.11. Особенности эксплуатации и автоматизации поршневых детандеров

Глава 4. Криогенные турбодетандеры

4.1. Области применения турбодетандеров. Схема, основные понятия 117

4.2. Расчет процесса в турбодетандере

4.3. Оптимизация параметров турбинной ступени

4.4. Термодинамический расчет газовой турбины. Определение геометрических и режимных параметров

6 Оглавление

4.5. Сопловые аппараты турбинной ступени

4.6. Профилирование элементов турбинной ступени

4.7. Определение параметров турбодетандеров при нерасчетных режимах

4.8. Конструкции турбодетандеров

4.9. Системы подвески ротора. Основы динамики турбодетандеров...... 204 Глава 5. Криогенные газовые машины

5.1. Принцип действия и классификация

5.2. Принципиальные схемы криогенных газовых машин

5.3. Циклы и особенности рабочего процесса

5.4. Развитие теории и методов расчета криогенных газовых машин..... 230

5.5. Гидродинамическая модель криогенной газовой машины.

Расчет индикаторных диаграмм полостей

5.6. Аппараты внешнего теплообмена

5.7. Конструкции и тепловой расчет регенераторов

5.8. Последовательность расчета криогенных газовых машин................ 283

5.9. Рекомендации по оптимизации криогенных газовых машин............ 287

5.10. Многоступенчатые криогенные газовые машины и особенности их расчета

5.11. Конструкции криогенных газовых машин

Глава 6. Безмашинные криогенераторы

6.1. Эжекторы

6.2. Вихревые трубы

6.3. Пульсационные криогенераторы

6.4. Магнитокалорические криогенераторы

6.5. Волновые криогенераторы

6.6. Медицинские криогенераторы и криоинструменты для хирургии.....410 Глава 7. Криогенные насосы

7.1. Центробежные насосы

7.2. Поршневые насосы

7.3. Насосы для жидкого гелия

Литература

ПРЕДИСЛОВИЕ ПРЕДСЕДАТЕЛЯ

РЕДАКЦИОННОГО СОВЕТА

В МГТУ им. Н. Э. Баумана успешно развиваются научно-педагогические школы, завоевавшие мировое признание. Одна из таких школ, возникшая в 40-х годах XIX века, объединила научно-педагогических работников, занимающихся прикладной и теоретической теплотехникой.

В 1845 году в предтече нашего Университета – Московском ремесленном учебном заведении (РУЗ) появляется молодой преподаватель практической механики Александр Степанович Ершов. До этого, побывав в командировках в петербургских и европейских учебных заведениях, он в 1844 году защищает в Московском университете магистерскую диссертацию на тему: «О воде как двигателе». В 1859 году А. С. Ершова назначают директором РУЗ. Знакомство с техническим образованием в Германии, Франции и Англии позволяет ему определить основную задачу руководимого им учебного заведения – воспитание ученых-техников. При этом основным элементом образования, как и раньше, остается обучение ремеслу в мастерских РУЗ. Так начал формироваться знаменитый «русский метод» подготовки инженеров. Проект Устава, разработанный в конце 1866 года коллективом преподавателей РУЗ, 1 июля 1868 года был утвержден императором Александром II. В соответствии с Уставом учебное заведение преобразовывалось в Императорское Московское техническое училище, в котором одним из первых трех открываемых отделений было инженерно-механическое.

Датой основания научно-педагогической школы прикладной и теоретической теплотехники, сосредоточенной на инженерно-механическом отделении, можно считать 1846 год, когда в РУЗ стали производить паровые двигатели.

Первые три паровые машины в 1849 году были проданы на крупнейшие тогда фабрики в Москве и в с. Иваново. Первоклассный по оснащению и организации производства завод РУЗ позволял, кроме паровых машин (машин-двигателей), выпускать и машины-орудия: насосы и вентиляторы, типографские и токарные станки, гидравлические прессы и многое другое.

С конца XIX века в Училище начинают создаваться лаборатории, в которых проводились полные экспериментальные исследования паровых машин, котлов, нефтяных и газовых двигателей. В учебных планах появились новые курсы по прикладной теплотехнике: «Двигатели внутреннего сгорания», «Специальные паровые машины», «Паровые турбины», «Теплосиловые станции и топки», «Гидромашины». Результаты исследований, к которым преподаватели привлекали своих студентов, публиковались в многочисленных трудах конференций, технических журналах, книгах и учебниках. Например, в 1909 году на Московской мясной выставке Училище демонстрировало обстоятельные научные исследования холодильных машин, выполненные студентами под руководством Ивана Ивановича Куколевского.

С момента основания Инженерно-механического отделения минуло без малого 150 лет. На пороге этой знаменательной даты преподаватели и сотрудники НУК «Энергомашиностроение», являющегося преемником достижений Императорского Московского технического училища в области теплотехники, подготовили к изданию целый ряд учебников, монографий, сборников статей.

Настоящая книга является первой в планируемой серии и отражает развитие холодильного и криогенного машиностроения. В 1920 году, впервые в нашем Отечестве, в Московском высшем техническом училище на факультете «Тепловые и гидравлические машины» профессор Владимир Евгеньевич Цыдзик формирует холодильное отделение, а в 1932–1933 годах на этом же факультете выдающийся ученый, лауреат Сталинской премии, профессор Семен Яковлевич Герш создает криогенное отделение.

За прошедшие годы холодильное и криогенное машиностроение сыграло огромную роль в развитии металлургической, химической и газовой промышленности, ракетно-космической техники, авиации, электротехники, приборостроения, пищевой индустрии. Работы кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» отмечены рядом международных и государственных наград, в том числе государственными премиями СССР и Российской Федерации, премиями Правительства Российской Федерации и Москвы. На кафедре работали выдающиеся ученые и педагоги, профессора Григорий Иванович Воронин, Вера Ивановна Епифанова, Евгений Иванович Микулин, Виктор Александрович Румянцев, Константин Степанович Буткевич, Федор Макарович Чистяков, Александр Дмитриевич Суслов, Ирина Васильевна Марфенина, Михаил Борисович Столпер, Андрей Григорьевич Головинцов, Анатолий Сергеевич Нуждин, Виктор Петрович Беляков, Виктор Михайлович Кулаков, Владимир Николаевич Козлов, Михаил Иванович Дьячков, Владимир Ильич Ардашов, Юрий Дмитриевич Фролов.

Кафедре по праву принадлежит ведущая роль в развитии криологии. Сегодня на кафедре работают известные профессора и специалисты: В.Л. Бондаренко, И.А. Архаров, М.Ю. Савинов, А.И. Смородин, С.Д. Глухов, Г.Ю. Гончарова, Е.С. Навасардян, В.Ю. Семенов, И.К. Буткевич, А.А. Жердев, В.Р. Романовский, В.В. Шишов, М.А. Колосов, А.А. Казакова, А.Н. Паркин, В.П. Леонов, Н.А. Лавров, А.М. Архаров, Ю.А. Шевич, Ю.В. Пешти, С.А. Гаранов.

Ректор МГТУ им. Н. Э. Баумана А. А. Александров

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая книга является логическим продолжением двухтомника «Криогенные системы» (А. М. Архаров и др., 1-е изд. – 1999 г., 2-е изд. – 1987–1988 гг.). Опыт использования материалов обоих томов при подготовке специалистов по разработке и исследованию различных криогенных систем и криоинструментов показал эффективность применения в процессе обучения единых методических подходов в изложении материала, возможность использования информации первого тома как теоретической основы для ознакомления с методами анализа и расчета конкретных криогенных систем и оборудования. Однако во втором томе не были описаны криогенные машины, которые, как генераторы холода и источники циркуляции криоагента, являются неотъемлемой частью многих криогенных систем.

Вместе с тем в 1991 г. был опубликован учебник «Криогенные машины»

авторов В. Н. Новотельнова, А. Д. Суслова и В. Б. Полтарауса, который удачно дополнил двухтомник «Криогенные системы». Однако со времени его издания прошло уже более 20 лет, в течение которых в результате развития холодильного и криогенного машиностроения изменились не только некоторые методические подходы к расчету и конструированию криогенных машин, но и идеология преимущественного применения машин и криоинструментов того или иного типа. Это предопределило необходимость подготовки учебника, в котором было бы отражено современное состояние этой отрасли техники.

К сожалению, уход из жизни авторов учебника «Криогенные машины» не позволил использовать их богатый профессиональный опыт и глубокие знания.

В связи с этим при подготовке материалов данного издания были привлечены ведущие специалисты кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н. Э. Баумана. Использован опыт ведущих российских и зарубежных фирм (ОАО «Криогенмаш», НПО «Гелиймаш», АО «Сибкриотехника», Air Liquide (Франция), Linde (Германия), Janis (Нидерланды), Leybold, Sun Power Inc. (США) и др.), а также опыт работы соответствующих кафедр МГУИЭ, МЭИ, СПбГУНиПТ, СПбГПУ, ОмПИ и пр.

При подготовке учебника авторы опирались на труды своего учителя – профессора С. Я. Герша, на известные работы основоположников теории, методов расчета и конструирования криогенных машин: К. С. Буткевича, В. И. Епифановой, И. К. Кондрякова, А. Н. Шерстюка.

В последнем десятилетии XX в. наряду с традиционными направлениями получили развитие новые области применения холодильной и криогенной 10 Предисловие техники, в которых машинные и безмашинные генераторы холода завоевывают свое место. Кроме того, постоянно усиливающаяся тенденция широкомасштабного использования сжиженного природного газа в качестве топлива обусловила серьезные предпосылки для исследования и совершенствования перспективных генераторов холода. Высокие требования к обеспечению надежности криогенных и низкотемпературных систем вызвали значительное расширение применения безмашинных генераторов холода, что привело к необходимости ввести в учебник соответствующий материал, а также сведения о медицинских криогенераторах и криоинструментах, использование которых в медицине постоянно расширяется.

Авторы обращают внимание читателей на то, что иногда в учебнике для обозначения разных величин используются одни и те же буквенные обозначения. Это объясняется тем, что отдельные эмпирические зависимости приводятся в тех же буквенных обозначениях, что и в цитируемых работах. Однако сам контекст, где присутствуют такие обозначения, не дает возможности ошибиться в их толковании.

Приняв за основу материал авторов учебника «Криогенные машины»

В. Н. Новотельнова, А. Д. Суслова и В. Б. Полтарауса, в создании данного учебника участвовали А. М. Архаров – гл. 1, 2, 5, 6; И. К. Буткевич – гл. 1–3, разд. 6.1–6.4, 7.3; Е. И. Борзенко – гл. 2–5; Т. М. Розеноер, В. П. Леонов, А. Ш.

Кобулашвили – гл. 4; А. П. Викулов – разд. 4.9; Ю. В. Пешти, И. А. Архаров – гл. 5; И. С. Воздвиженский, В. А. Матвеев, Б. А. Поляев, В. Н. Митрохин, Д. И. Цыганов, А. Н. Антонов – гл. 6; Н. А. Лавров – разд. 6.4; В. Л. Бондаренко, М. Ю. Савинов – разд. 6.5; А. В. Буторина – разд. 6.6; В. В. Малюшенко, С. Н. Козлов, В. И. Петров – гл. 7; В. П. Харитонов – разд. 7.3

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АВТ – аппарат внешнего теплообмена ВКГ – волновой криогенератор ВМТ – верхняя мертвая точка ВРУ – воздухоразделительная установка ВТ – вихревая труба ГГГ – гадолиниево-галлиевый гранат ГДСД – гелиевый детандер среднего давления ДВД – детандер высокого давления ДПВ – детандер прямоточный воздушный ДПГ – детандер поршневой гелиевый ДСД – детандер среднего давления ИМП – источник магнитного поля КГМ – криогенная газовая машина КГУ – криогенная гелиевая установка КПД – коэффициент полезного действия КСА – канальный сопловой аппарат КХА – криогенная хирургическая аппаратура ЛСА – лопаточный сопловой аппарат МК – магнитокалорический МККГ – магнитокалорический криогенератор МТТ – медико-технические требования НА – направляющий аппарат НМТ – нижняя мертвая точка НУ – нагрузочное устройство ОРГ – ожижитель-рефрижератор гелиевый ПД – поршневой детандер ПОГ – пульсационный охладитель газа РТ – рабочее тело СВЧ – сверхвысокочастотный СОО – ступень окончательного охлаждения СП – сверхпроводящий СПГ – сжиженный природный газ СПК – сверхпроводящий кабель СПМ – сверхпроводящий магнит СПО – ступень предварительного охлаждения 12 Список основных сокращений ТД – турбодетандер ТИ – теплый источник ТК – тепловой ключ ТКГМ – теплоиспользующая криогенная газовая машина ХИ – холодный источник ЭМП – электромагнитное поле ЭМПК – электромагнитный привод клапанов Глава 1

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КРИОГЕННЫХ

И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МАШИН

1.1. Назначение криогенных и низкотемпературных машин Криогенными называют машины, в которых хотя бы один процесс протекает при температуре ниже 120 K. К низкотемпературным относят машины, в которых рабочие процессы происходят при температуре ниже 273 K. Эти машины можно подразделить на две группы: машины, с помощью которых получают холод (криогенераторы), и машины, осуществляющие сжатие и транспортирование криоагентов. В первую группу криогенных и низкотемпературных машин входят машины, в которых сжатый криоагент расширяется и совершает работу. Обязательными элементами таких машин являются устройства для восприятия механической энергии и передачи ее на тормоз. К криогенераторам относят детандеры (расширительные машины) и криогенные газовые машины.

По принципу действия детандеры аналогичны тепловым двигателям, т. е.

поршневым паровым двигателям и турбинам. Эти машины получили широкое распространение в качестве основных генераторов холода в воздухоразделительных установках (ВРУ), криогенных установках и криогенных системах различного назначения. В криогенной газовой машине (КГМ) работа расширения газа в холодной полости передается через рабочий поршень на вал, через него также передается работа для сжатия газа в теплой полости. Теплообменные аппараты в КГМ размещены в мертвом объеме поршневой машины. Многие КГМ, в том числе и КГМ Стирлинга, подобны криогенным установкам, состоящим из компрессора, поршневого детандера и теплообменных аппаратов. В теплоиспользующих КГМ холод производится за счет подвода теплоты от высокотемпературного теплового источника. В этом случае КГМ включает в себя тепловой двигатель, компрессор и криогенную установку. Проведение нескольких процессов в одном агрегате позволило уменьшить массу и размеры криогенератора. В связи с этим наибольшее распространение КГМ, более известные как микрокриогенные системы, получили в мини- и микрокриогенной технике. Кроме того, их используют в качестве генераторов холода в ВРУ и криогенных системах малой и средней холодопроизводительности.

Глава 2

ОCОБЕННОСТИ ОСНОВНЫХ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ

РАСШИРИТЕЛЬНЫХ МАШИН

2.1. Изменение параметров рабочего тела в полости низкотемпературной расширительной объемной машины В рабочих процессах, протекающих в полостях низкотемпературных поршневых машин (детандеров, КГМ), рабочее тело находится во взаимодействии с внешними источниками: происходит теплообмен между криоагентом и стенками цилиндра, которые, в свою очередь, обмениваются теплотой с окружающей средой и охлаждаемыми объектами. Энергия может поступать и отводиться с подводом и отводом криоагента; наконец, она может отводиться или подводиться в виде механической работы (рис. 2.1).

Для определения параметров состояния криоагента необходимо иметь уравнения процессов, которые совместно с уравнением состояния F ( p, T, v) 0 позволят найти взаимосвязь любой пары этих параметров (v – удельный объем криоагента).

–  –  –

Поршневые криогенные и низкотемпературные детандеры – это объемные расширительные машины, в которых при периодическом расширении криоагента энергия сжатого газа превращается в механическую работу с одновременным уменьшением энтальпии криоагента и понижением его температуры.

Поршневой детандер (ПД) состоит из картера с размещенным в нем механизмом движения, цилиндра с поршнем, с помощью которых проводят расширение, и органов газораспределения, управляющих рабочим процессом. В общем случае действие машины сводится к наполнению цилиндра, расширению с совершением работы, выталкиванию и сжатию оставшегося криоагента. Совокупность этих процессов, последовательно повторяющихся при каждом обороте вала, условно называют циклом поршневого детандера.

Рассмотрим отдельные процессы классического (шестифазного) цикла этой машины (рис. 3.1). Когда поршень приближается к мертвой точке, впускное отверстие открывается (точка 6). При этом газ высокого давления pвх заполняет мертвое пространство и давления в цилиндре и трубопроводе выравниваются (процесс 6–1). На части хода поршня впускное отверстие остается открытым, в результате чего происходит наполнение цилиндра (процесс 1–2). В точке 2 впускное отверстие перекрывается, после чего в процессе 2–3 объем газа, находящегося в цилиндре, увеличивается, а его плотность и давление уменьшаются. При этом в результате совершения внешней работы энтальпия уменьшается и температура криоагента, находящегося в цилиндре машины, снижается. В точке 3 выпускное отверстие открывается, вследствие чего давления в цилиндре и в выпускном трубопроводе выравниваются. Процесс 3–4 является процессом выхлопа.

На части обратного хода поршня выпускное отверстие остается открытым, Глава 4

КРИОГЕННЫЕ ТУРБОДЕТАНДЕРЫ

–  –  –

Начало производства турбодетандеров как одного из основных направлений криогенной техники связано с именем П. Л. Капицы. Им впервые было предложено построение ВРУ низкого давления с использованием в качестве основного холодопроизводящего устройства радиальной реактивной центростремительной турбины — турбодетандера (ТД). По такому принципу в последующие годы были построены все крупные ВРУ низкого давления. Турбодетандеры этих установок являются сравнительно тихоходными машинами, в качестве нагрузочного устройства в них применяется электрогенератор. В настоящее время мощность ТД используется для привода последней ступени компрессора.

С середины 1960-х годов были сформулированы новые задачи, связанные с созданием относительно малорасходных турбодетандеров для ВРУ среднего и высокого давления, а также криогенных рефрижераторных и ожижительных установок с использованием низкокипящих криоагентов – гелия, водорода и т. п. Для построения таких машин, отличающихся очень высокой частотой вращения ротора, коллективом специалистов НПО «Гелиймаш» были разработаны высокоэффективные турбинные ступени с радиально-осевыми рабочими колесами и соответствующие виброустойчивые подшипниковые узлы. В итоге был создан новый тип высокоскоростных монороторных турбодетандеров, с помощью которых удалось успешно решить поставленные задачи. Построенные на их основе установки эксплуатируются на воздухоразделительных заводах, а также в ведущих физических лабораториях страны, применяющих низкотемпературные технологии.

Современные представления дальнейшего развития конструкций ТД связаны с прогнозируемым на ближайшие годы резким повышением потребностей в турбодетандерах различного назначения. Если до последнего времени эти машины использовались в различных криогенных технологиях, то сейчас наметилась тенденция к распространению сферы их применения в области умеренного холода, в частности в скороморозильной технике. Это обусловлено Глава 5

КРИОГЕННЫЕ ГАЗОВЫЕ МАШИНЫ

–  –  –

Криогенные газовые машины относят к поршневым машинам. Характерной особенностью КГМ является то, что изменяющиеся объемы полостей расширения и сжатия гидравлически постоянно связаны с объемами теплообменных аппаратов. В машинах этого типа теплообменник-регенератор расположен в «мертвом» объеме машины, процесс расширения протекает одновременно с теплообменом в регенераторе (кавычки обусловлены тем, что в КГМ процессы, протекающие в этом объеме, отличаются от процессов в мертвых объемах традиционных поршневых машин).

В теплообменных аппаратах КГМ осуществляются регенерация теплоты, а также ее подвод к газу и отвод от него к внешним тепловым источникам. Теплообмен в КГМ, как правило, происходит в одном или нескольких аппаратах внешнего теплообмена (АВТ) и в одном или нескольких регенераторах. Регенератор в КГМ является обязательным элементом; он выполняет функцию «теплового аккумулятора», который попеременно получает теплоту от газа и отдает ее газу, протекающему через аппарат. Этот «тепловой аккумулятор» имеет специфические свойства: значительный перепад температур на его концах, зависящий от температур внешних тепловых источников; большая тепловая нагрузка; высокий коэффициент теплопередачи.

Криогенные газовые машины состоят из элементарных узлов, включающих одну или две рабочие полости с изменяющимися объемами и теплообменные аппараты. Один из узлов выполняет функцию компрессора, а другой – детандера. Особенность конкретной машины однозначно определяется характеристиками составляющих ее элементарных узлов, которые можно подразделить на поршневой, вытеснительный и комбинированный.

Существующие в настоящее время КГМ состоят из двух узлов. Первая буква в условном обозначении типа КГМ отражает тип узла, выполняющего функцию компрессора: Н – независимый, П – поршневой, В – вытеснительный, К – комбинированный, а вторая буква – тип узла, выполняющего функцию генератора холода (детандера): П – поршневой, В – вытеснительный, К – комбинированный.

Глава 6

БЕЗМАШИННЫЕ КРИОГЕНЕРАТОРЫ

–  –  –

Из всех возможных типов безмашинных криогенераторов в данной главе рассмотрены аппараты, нашедшие применение в технике низких температур.

К ним относят струйные криогенераторы (эжекторы), вихревые и пульсационные трубы, волновые и магнитокалорические криогенераторы, а также инструменты для криохирургии. Эти аппараты в той или иной степени выполняют функции криогенных машин, т. е. в них либо проводят процесс понижения температуры с уменьшением давления, либо организуют циркуляцию криоагента через криостатируемые устройства, либо осуществляют энергоразделение потока рабочего тела на холодный и более теплый.

Криогенное оборудование, работающее в составе систем криогенного обеспечения сверхпроводящих устройств, криогенных систем заправки и криостатирования топливных баков ракет и других криогенных систем должно отвечать требованиям повышенной надежности и высокой эффективности. Использование струйных аппаратов, имеющих практически неограниченный ресурс, позволяет повысить надежность, а в ряде случаев и эффективность криогенных систем.

Потенциал теплоты в эжекторах повышается в результате преобразования кинетической энергии потока криоагента, подведенного к аппарату. В струйный аппарат поступает поток рабочего газа (пара) под высоким давлением рр при температуре Тр.

За счет энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока низкого давления рн, имеющего температуру Тн. При этом из аппарата выходит смешанный поток криоагента, имеющий среднее давление рс и температуру Тс. Повышение давления потока инжектируемой среды от рн до рс осуществляется с одновременным увеличением его температуры от Тн до Тс.

Можно выделить четыре основных направления использования струйных аппаратов в криогенных системах:

1) для уменьшения температуры криостатирования за счет понижения давления над жидкостью;

2) для повышения давления обратного потока криогенной установки;

Глава 7

КРИОГЕННЫЕ НАСОСЫ

–  –  –

Насосы, предназначенные для транспортирования криогенных продуктов, называют криогенными. Подачу криогенных жидкостей из резервуаров к потребителю по системам трубопроводов, перекачивание сжиженных газов из танкеров и криогенных хранилищ, перемещение жидкого криоагента в криогенных системах сверхпроводящих линий электропередачи и сверхпроводящих магнитах, а также в системах рециркуляции криогенных продуктов осуществляют лопастными и объемными насосами или безмашинными устройствами.

При создании и совершенствовании криогенных насосов необходимо выполнение следующих требований.

1. Обеспечение работоспособности криогенных насосов в течение длительного времени при температуре криогенного продукта.

2. Сокращение теплопритока к криогенным жидкостям до минимальных значений.

3. Выработка уплотнениями и узлами трения установленного ресурса без применения смазочного материала.

4. Недопущение утечки продукта в атмосферу при работе насосов на горючих (водород), ядовитых или редких газах.

5. Обеспечение бескавитационной работы криогенных насосов в течение установленного ресурса.

Основы теории лопастных насосов. Лопастные насосы могут быть центробежными, диагональными и осевыми. В криогенной технике используют только центробежные и осевые насосы (рис. 7.1). Центробежные насосы бывают одно- и многоступенчатые. Проточная часть одноступенчатого насоса состоит из трех основных узлов: подвода, рабочего колеса и отвода. По подводу рабочая жидкость направляется в рабочее колесо из всасывающего трубопровода. Рабочее колесо установлено на валу консольно. В связи с этим одноступенчатые насосы называют консольными. Назначение рабочего колеса заключается в преобразовании механической энергии привода в энергию жидкости. Оно состоит из ведущего и ведомого дисков, между которыми находятся лопасти, изогнутые в сторону,

ЛИТЕРАТУРА

Архаров А. М. Низкотемпературные газовые машины. М.: Машиностроение, 1969.

Архаров А. М., Марфенина И. В., Микулин Е. И. Криогенные системы. Т. 1:

Основы теории и расчета. М.: Машиностроение, 1988.

Белушкин В. А., Готвянский Н. Ф. // Хим. и нефт. машиностроение. 1972. № 1.

Беляков В. П. Криогенная техника и технология. М.: Энергоиздат, 1982.

Бондаренко В. Л., Симоненко Ю. М., Лосяков Н. П., Дьяченко О. В. // Технические газы. 2003. № 4.

Бродянский В. М., Семенов А. М. Термодинамические основы криогенной техники. М.: Энергия, 1980.

Буткевич И. К., Докшицкий Е. А. Создание поршневого детандера-ожижителя // Экспресс-информ. Сер. ХМ-6. – М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1972.

Ваняшов А. Д., Кабаков А. Н., Калекин В. С. // Омский науч. вестник. 1999. № 6.

Ваняшов А. Д., Калекин В. С., Коваленко С. В. // Хим. и нефт. машиностроение. 2001. № 9.

Воронин Г. И. Конструирование машин и агрегатов систем кондиционирования. М.: Машиностроение, 1978.

Грезин А. К., Зиновьев В. С. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1977.

Давыдов А. Б., Кобулашвили А. Ш., Шерстюк А. Н. Расчет и конструирование турбодетандеров. М.: Машиностроение, 1987.

Епифанова В. И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального типа: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1984.

Жердев А. А., Архаров И. А. // Обзорн. информ. Сер. ХМ-6. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1988.

Исследование процессов в установках и системах криогенного машиностроения / И. К. Буткевич, Н. А. Пуртов, В. В. Крылов и др. // Сб. науч. тр. Балашиха: НПО «Криогенмаш», 1984.

Капица П. Л. // Успехи физ. наук. 1935. Т. 16. Вып. 2.

Криогенная техника и кондиционирование / А. М. Архаров, В. Г. Пронько, В. Л. Бондаренко и др. // Тр. МВТУ им. Н. Э. Баумана, № 381. М.: Изд-во МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1982. С. 86.

Криогенные генераторы холода с пульсационной трубкой // Техника низких температур / И. М. Шнайд, А. Л. Гликсон, Г. И. Загрунный и др. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1971.

Литература 533 Криогенные поршневые детандеры / А. М. Архаров, К. С. Буткевич, И. К. Буткевич и др. М.: Машиностроение, 1974.

Криогенные системы. Т. 2: Основы проектирования аппаратов, установок и систем / А. М. Архаров, И. А. Архаров, В. П. Беляков и др. М.: Машиностроение, 1999.

Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. М.: Наука, 1964.

Меркулов А. П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969.

Микулин Е. И., Ананьев В. В., Первак С. Д. и др. // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Спец. вып. Криогенная и холодильная техника. Сер. Машиностроение. 1993. № 3.

Микулин Е. И., Тарасов А. А., Тарасюк С. Г. Криогенная техника и кондиционирование // Тр. МВТУ им. Н. Э. Баумана. № 522. М.: Изд-во МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1988.

Микулин Е. И., Шкребенюк М. П., Тарасов А. А. // Изв. вузов. М.: Машиностроение. 1983. № 1.

Панкова Е. О., Дрожжин Н. В., Суслов А. Д. / Криогенная техника и кондиционирование // Тр. МВТУ им. Н. Э. Баумана. № 522. М.: Изд-во МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1988.

Первые результаты испытаний магнитных рефрижераторов / В. Е. Кейлин, И. А. Ковалев, Н. А. Лавров и др. // Науч.-техн. сб. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Общая и ядерная физика. М.: ИАЭ им. И. В. Курчатова. 1988.

Вып. 2 (42).

Расчет криогенных установок / Л. А. Акулов, Е. И. Борзенко, Г. А. Головко и др.; Под ред. С. С. Будневича. М.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978.

Сергеев С. И. Динамика криогенных турбомашин с подшипниками скольжения. М.: Машиностроение, 1973.

Соколов Е. Я., Бродянский В. М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергия, 1967.

Состояние и перспективы создания прямоточных поршневых детандеров с самодействующими клапанами / И. К. Прилуцкий, В. Г. Деньгин, А. И. Прилуцкий и др. // Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. «Криогенная техника – науке и производству». М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1991.

Справочник по физико-техническим основам криогеники / М. П. Малков, И. Б. Данилов, А. Г. Зельдович и др.; Под ред. М. П. Малкова. М.: Энергоиздат, 1985.

Техника низких температур / А. М. Архаров, К. С. Буткевич, А. Г. Головинцов и др. М.: Энергия, 1975.

Центростремительные турбодетандеры / А. Б. Давыдов, Г. А. Пересторонин, В. П. Стулов, А. Н. Шерстюк; Под общ. ред. В. Н. Удута. М.: Колос-Пресс, 2002.

Учебное издание Антонов Алексей Николаевич Малюшенко В В Архаров Алексей Михайлович Матвеев Валерий Александрович Архаров Иван Алексеевич Митрохин Владимир Николаевич Бондаренко Виталий Леонидович Новотельнов Владимир Николаевич Борзенко Евгений Иванович Петров Владимир Иванович Буткевич Игорь Константинович Пешти Юлий Викторович Буторина Антонина Валентиновна Полтараус Василий Борисович Викулов Александр Петрович Поляев Борис Александрович Воздвиженский Иван Сергеевич Розеноер Татьяна Михайловна Кобулашвили Александр Шалвович Савинов Михаил Юрьевич Козлов Станислав Николаевич Суслов Александр Дмитриевич Лавров Николай Алексеевич Харитонов Вячеслав Петрович Леонов Виктор Павлович Цыганов Дмитрий Игоревич

–  –  –

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:

телефон: 8 499 263-60-45;

факс: 8 499 261-45-97 e-mail: press@bmstu.ru





Похожие работы:

«Научно-теоретический и прикладной журнал широкого профиля Издается с 1990 г. Издательство МГТУ Серия “Машиностроение” им. Н.Э. Баумана Специальный выпуск “Вакуумные и компрессорные машины и пневмооборудование” СОДЕРЖАНИЕ П р у д н и к о в С. Н. Кафедре “Вакуумная и компрессорная техника” — 50 лет.................................................. 5 Д е м и х о в К. Е., Н и к у л и н Н. К., Д р о н о в А. В., Д р о н о в а Т. В. Исследование...»

«Продукты информационного агентства INFOLine были по достоинству оценены ведущими европейскими компаниями. Агентство INFOLine было принято в единую ассоциацию консалтинговых и маркетинговых агентств мира ESOMAR. В соответствии с правилами ассоциации все продукты агентства INFOLine сертифицируются по общеевропейским стандартам, что гарантирует нашим клиентам получение качественного продукта и постпродажного обслуживания. Крупнейшая информационная база данных мира включает продукты агентства...»

«ВЕСТНИК НАЦИОНАЛЬНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ХПИ Сборник научных трудов 38'2010 Тематический выпуск Транспортное машиностроение Издание основано Национальным техническим университетом Харьковский политехнический институт в 2001 году Государственное издание Свидетельство Госкомитета по РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: информационной политике Украины КВ № 5256 от 2 июля 2001 года КООРДИНАЦИОННЫЙ СОВЕТ: Ответственный редактор: Председатель В.В. Епифанов, канд. техн. наук, проф. Л.Л. Товажнянский, д-р...»

«ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ III-CНС ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ВЫПУСК III ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И УПРАВЛЕНИЕ, ПРИБОРЫ. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, НАНОТЕХНОЛОГИИ, МАШИНОСТРОЕНИЕ. БИОТЕХНОЛОГИЯ, БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ И ДРУГИХ ТЕХНОЛОГИЙ. ЭНЕРГЕТИКА, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ. АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО, ТРАНСПОРТ. ЭКОНОМИКА, УПРАВЛЕНИЕ...»

«Розділ 3 Інноваційний менеджмент УДК 658:338 JEL Classification: A13, E62, F21, L52, N60 Герасимчук Василий Игнатьевич, д-р экон. наук, профессор, профессор кафедры международной экономики, НТУ Украины «Киевский политехнический институт» (г. Киев, Украина) ФАКТОРЫ ЛИДЕРСТВА НА МИРОВОМ РЫНКЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ Анализируются факторы, в решающей мере влияющие на процесс смены лидерства стран в промышленной сфере и мировом машиностроении. Исследуется эволюция отраслевой структуры...»

«Rais A. Fatkhutdinov, Professor, Doctor of Economics STRATEGIC MARKETING Moscow P.А. Фатхутдинов СТРАТЕГИЧЕСКИЙ МАРКЕТИНГ Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве УЧЕБНИКА для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим и экономическим специальностям, специальностям «Маркетинг» и «Менеджмент» Москва ЗАО Бизнес-школа Интел-Синтез ББК 65.29 Ф27 Рецензенты: Г.А. КРАЮХИН, заведующий кафедрой «Экономика и менеджмент в машиностроении»...»

«1. Цели и задачи освоения дисциплины.1.1. Цели изучения дисциплины Цель преподавания дисциплины «Технология машиностроения» – дать студентам систему знаний и практических навыков проектирования технологических процессов изготовления машин высокого качества при заданной производительности и высоких технико-экономических показателях производства.1.2. Задачи изучения дисциплины В результате изучения курса «Технология машиностроения» студенты должны: – знать взаимосвязь конструкций машин с...»

«Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева (национальный исследовательский университет) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Адрес: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34 Телефон: (846) 335-18-26. Факс: (846) 335-18-36 E-mail: ssau@ssau.ru. Сайт: www.ssau.ru Ректор: Шахматов Евгений Владимирович Контактное лицо: Гареев Альберт Минеасхатович, e-mail: nauka@ssau.ru СТРУКТУРА НАУЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ Институт...»

«УТВЕРЖДЕН Приказом Роспатента от 24 апреля 2015 г. № 50 Список 63 изобретений, вошедших в базу данных «100 лучших изобретений России» за 2014 год № п/п Данные Реферат Металлургическая промышленность и машиностроение Изобретение относится к области химической металлизации поверхности 1. 1. 2544319 (21), (22) Заявка: 2013155748/02, 17.12.2013 металломатричных композиционных материалов, в частности (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 17.12.2013 металломатричного композиционного...»

«Аннотация В дипломном проекте, разработан проект на тему: «Электроснабжение завода по изготовлению металлопродукции г. Талды-Курган». Рассчитана электрическая, осветительная нагрузка завода тяжелого машиностроения. Спроектировано схема электроснабжения, произведен выбор и проверка всего технического оборудования. Выполнены разделы: по обеспечению безопасности жизнедеятельности и экономическая часть. Annotation In the graduation project, developed a project on the topic: Power supply plant for...»

«Серия 7. Теоретические и прикладные аспекты высшего профессионального образования. данных предприятий на целевое обучение;3) для налаживания связей с предприятиями ОПК использовать потенциал предприятий, на которых традиционно проводится производственная практика студентов Университета машиностроения, а также потенциал филиалов, расположенных в регионах и имеющих контакты с местными предприятиями ОПК, разрабатывать мероприятия по взаимодействию с предприятиями ОПК, с которыми контактов не было;...»

«Отчет о самообследовании филиала РГППУ в г. Омске за 2013 год 1. Общие сведения об образовательной организации Филиал государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования государственный «Российский профессионально-педагогический университет» в г. Омске создан на основании приказа Министерства образования Российской Федерации от 30.12.2002 г. Ранее приказом ректора университета от 20.09.1999 года № 311 по ходатайству комитета по делам науки и высшей школы Омской...»

«70-летию Победы VII-CНС в Великой Отечественной войне посвящается В рамках 50-летию Фестиваля науки ТИХМ-ТГТУ в Тамбовской области посвящается ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ВЫПУСК VII ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И УПРАВЛЕНИЕ, ПРИБОРЫ. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, НАНОТЕХНОЛОГИИ, МАШИНОСТРОЕНИЕ. БИОТЕХНОЛОГИЯ, БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ И ДРУГИХ ТЕХНОЛОГИЙ. ЭНЕРГЕТИКА,...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ВИТЕБСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ВЕСТНИК ВИТЕБСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА Д В А Д Ц А Т Ь В Т О Р О Й ВЫПУСК ВИТЕБСК УДК 67/6 ББК 37. В 38 Вестник Витебского государственного технологического университета. Вып. / УО «ВГТУ» ; гл. ред. В. С. Башметов. – Витебск, 2012. – 208 с. Главный редактор д.т.н., профессор Башметов В.С. Редакционная коллегия: зам. главного д.э.н., профессор...»







 
2016 www.nauka.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, издания, публикации»

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.