Криогенная техника и её применение — финал

1.

КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА
Как получают
низкие температуры
Устройство, принцип работы и применение
Презентация для колледжа

2.

01 ВВЕДЕНИЕ
Что изучает криогенная техника
Криогеника
производит и поддерживает
очень низкие температуры,
изучает поведение веществ при
охлаждении.
77 K
температура кипения азота
при обычном давлении
4,2 K
температура кипения гелия
T (°C) = T (K) − 273,15
02

3.

02 ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП
Чтобы охладить объект, нужно отвести тепло
Охлаждение означает перенос энергии
Тепло переходит от объекта к более холодной среде или уносится потоком газа.
Расширяющийся газ может остывать
В установках используют расширение через клапан или турбодетандер.
Теплоизоляция замедляет приток тепла извне, но сама по себе не создаёт холод.
03

4.

03 ПОЛУЧЕНИЕ ХОЛОДА
Цикл охлаждения газа
01
Сжатие
Компрессор повышает давление газа.
02
Отвод тепла
Теплообменник охлаждает сжатый газ.
03
Расширение
Газ совершает работу в турбодетандере или проходит
через дроссель.
04
Повторение
Холодный поток предварительно охлаждает
следующую порцию газа.
04

5.

04 СПОСОБЫ РАСШИРЕНИЯ
Два способа охладить газ
Дросселирование
Турбодетандер
Газ проходит через узкое отверстие.
Давление резко падает. При
подходящих условиях снижается и
температура.
Газ расширяется и вращает турбину.
Он отдаёт часть энергии в виде
механической работы и охлаждается.
Эффект Джоуля — Томсона
Часто применяется в промышленных
установках
Для некоторых газов перед дросселированием требуется предварительное охлаждение.
05

6.

05 ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Как получают
жидкий азот
Воздух очищают от влаги и CO₂,
сжимают и охлаждают. Затем смесь
разделяют в ректификационной
колонне.
Азот кипит при 77 K, кислород при 90
K.
Иллюстрация
установки
06

7.

06 ОБОРУДОВАНИЕ
Из чего состоит криогенная установка
Компрессор
создаёт высокое давление
Теплообменник
передаёт тепло между потоками
Турбодетандер или клапан
обеспечивает расширение газа
Криостат и вакуумная изоляция
уменьшают приток тепла
07

8.

07 КРИОГЕННЫЕ ЖИДКОСТИ
Температуры кипения при 1 атм
ВЕЩЕСТВО
КЕЛЬВИНЫ
ЦЕЛЬСИЙ
Азот
77 K
−196 °C
Кислород
90 K
−183 °C
Водород
20 K
−253 °C
Гелий
4,2 K
−269 °C
Значения округлены; температура кипения зависит от давления.
08

9.

08 МЕДИЦИНА И НАУКА
Сверхпроводящие
магниты
В МРТ низкая температура помогает
поддерживать сверхпроводящее
состояние обмоток магнита.
В CERN гелий охлаждает магниты
БАК до 1,9 K.
Иллюстрация
09

10.

09 КОСМОНАВТИКА
Криогенное
ракетное топливо
Жидкий водород служит горючим, а
жидкий кислород — окислителем в
ряде ракетных двигателей.
Перед заправкой охлаждают
трубопроводы и баки: это снижает
тепловой удар и потери топлива.
Иллюстрация
10

11.

10 ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Что важно для безопасности
Ожоги холодом
Жидкость и охлаждённые поверхности повреждают кожу.
Недостаток кислорода
Испаряющийся азот вытесняет воздух в закрытом помещении.
Рост давления
Жидкость расширяется при испарении, поэтому ёмкости оснащают сбросом давления.
11

12.

11 ИТОГИ
Главное о криогенной технике
01
Холод получают с помощью циклов сжатия, охлаждения и
расширения газа.
02
Изоляция помогает сохранить низкую температуру, а
рекуперация снижает расход энергии.
03
Применения: промышленные газы, МРТ, ускорители частиц и
космические ракеты.
Источники: NIST · CERN · NASA · Air Products · DOE · OSHA
Полные ссылки указаны в заметках к слайдам.
12