Низкие температуры в природе и технике. Современные аспекты
| Вид материала | Документы |
- Низкие температуры в природе и технике. Современные аспекты, 17.72kb.
- План Механические колебания. Волны. Их использование в природе и технике. Кроссворд, 107kb.
- Урок по физике в 7 классе Тема урока: «Сила трения. Трение в природе и технике», 110.11kb.
- Низкие температуры, пути достижения. История и современность, 2470.9kb.
- Лабораторная работа Определение относительной влажности воздуха и температуры насыщенного, 14.75kb.
- Возможность коррекции нарушений массы тела у школьников, проживающих в условиях севера, 53.68kb.
- Билеты по информатике для 11-х классов, 61.13kb.
- Учебно-тематический план «Современные аспекты ортопедической помощи населению» Цель:, 95.08kb.
- Практическое задание на проведение расчетов с помощью электронной таблицы. Билет, 1913.55kb.
- «справочные издания о населении и природе тамбовской области XIX-XX вв.»: Некоторые, 72.28kb.
1 2
Покорители стихии.
Человек всегда стремится к новым открытиям. Он изучает новый просторы планеты, разрабатывает новый технологии, модернизирует свою жизнь.
Руаль Амундсен (1872-1928)
Руаль Энгельберт Гравнинг Амундсен (норв. Roald Engelbregt Gravning Amundsen; 16 июля 1872 — вероятно, 18 июня 1928) — норвежский полярный путешественник и исследователь. Первый человек, достигший Южного полюса (14 декабря 1911 года). Первый человек (совместно с Оскаром Вистингом), побывавший на обоих географических полюсах планеты. Первый исследователь, совершивший морской переход и Северо-восточным (вдоль берегов Сибири), и Северо-западным морским путём (по проливам Канадского архипелага).
Юность и первые экспедиции.
Руаль родился в 1872 году на юго-востоке Норвегии (Борге, недалеко от Сарпсборга) в семье мореплавателей и судостроителей. Когда ему было 14 лет, умер отец и семья переехала в Христианию (с 1924 года — Осло). Руаль поступил учиться на медицинский факультет университета, но когда ему был 21 год, умирает мать, и Руаль бросает университет. Он писал впоследствии:
«С невыразимым облегчением я покинул университет, чтобы всей душой отдаться единственной мечте моей жизни». В 1897—1899 гг. в роли штурмана принял участие в бельгийской антарктической экспедиции на судне «Бельгика» («Belgica») под командованием бельгийского полярного исследователя Адриена де Жерлаша.
Северо-западный морской путь.
Карта арктических экспедиций Амундсена
В 1903 году он покупает подержанную 47-тонную парусно-моторную яхту «Йоа» («Gjoa»), «ровесницу» самого Амундсена (построена в 1872 г.) и отправляется в арктическую экспедицию. Шхуна была оснащена дизельным двигателем в 13 л.с. Личный состав экспедиции включал:
Руаль Амундсен — начальник экспедиции, гляциолог, специалист по земному магнетизму, этнограф. Годфрид Хансен, датчанин по национальности — штурман, астроном, геолог и фотограф экспедиции. Старший лейтенант ВМФ Дании, участвовал в экспедициях в Исландию и на Фарерские острова. Антон Лунд — шкипер и гарпунщик. Педер Ристведт — старший машинист и метеоролог. Хельмер Хансен — второй штурман. Густав Юл Вик — второй машинист, ассистент при магнитных наблюдениях. Скончался от невыясненного заболевания 30 марта 1906 г. Адольф Хенрик Линдстрём — кок и провиантмейстер. Участник экспедиции Свердрупа в 1898—1902 гг.
Амундсен прошёл через Северную Атлантику, Баффинов залив, проливы Ланкастера, Барроу, Пил, Франклина, Джеймса Росса и в начале сентября остановился на зимовку у юго-восточного берега острова Короля Вильяма. Летом 1904 года бухта не освободилась ото льда, и «Йоа» осталась на вторую зимовку. 13 августа 1905 корабль продолжает плавание и практически завершает Северо-Западный путь, но всё-таки вмерзает в лёд. Амундсен на собачьих упряжках добирается до Игл-Сити на Аляске. Позднее он вспоминал: «По возвращении все определяли мой возраст между 59 и 75 годами, хотя мне было только 33».
Покорение Южного полюса.
Карта антарктической экспедиции Амундсена.
На 1910 год Амундсен планировал трансполярный дрейф через Арктику, который должен был начаться у берегов Чукотки. Амундсен рассчитывал первым достигнуть Северного полюса, для чего ещё в 1907 году добился поддержки у Фритьофа Нансена. Парламентским актом судно «Фрам» (норв. Fram, «Вперёд») было предоставлено для экспедиции. Бюджет был весьма скромен, составляя около 250 тыс. крон (для сравнения: у Нансена в 1893 г. было 450 тыс. крон). Планы Амундсена были неожиданно разрушены заявлением Кука о покорении Северного полюса в апреле 1908 года. Вскоре о покорении полюса заявил и Роберт Пири. На спонсорскую поддержку больше не приходилось рассчитывать, и тогда Руаль решается покорить Южный полюс, за достижение которого тоже начинала разворачиваться гонка.
К 1909 году «Фрам» был капитально перестроен, но уже предназначался для новой экспедиции. Все приготовления держались в тайне: о планах Амундсена, кроме него самого, знали его брат-адвокат Леон Амундсен и командир «Фрама» — лейтенант Торвальд Нильсен. Приходилось идти на нестандартные решения: значительная часть провианта для экспедиции была поставлена норвежской армией (предстояло испытать новый арктический рацион), лыжные костюмы для членов экспедиции были сшиты из списанных армейских одеял, армия предоставила палатки и проч. Единственный спонсор нашёлся в Аргентине: за счёт средств магната норвежского происхождения — дона Педро Кристоферсена, был закуплен керосин и множество припасов. Его щедрость позволила сделать Буэнос-Айрес главной базой «Фрама». Позднее в его честь была названа гора в составе Трансантарктического хребта. Перед отплытием, Амундсен отправил письма Нансену и королю Норвегии, где объяснял свои мотивы. По легенде, Нансен, получив письмо, вскричал: «Глупец! Я предоставил бы ему все мои расчёты» (Нансен в 1905 году собирался совершить экспедицию в Антарктиду, но болезнь жены вынудила его отказаться от планов). Личный состав экспедиции был разделён на два отряда: судовой и береговой. Список приводится по состоянию на январь 1912 год. Двадцатым членом экспедиции был биолог Александр Степанович Кучин, но в начале 1912 года он вернулся в Россию из Буэнос-Айреса. Некоторое время мотористом «Фрама» был Якоб Нёдтведт, но его заменили на Сюндбека. Летом 1910 года «Фрам» производил океанографические изыскания в Северной Атлантике, при этом выяснилось, что судовой механик Якоб Нёдтведт не справляется со своими обязанностями. Он был списан на берег, а взамен его взяли конструктора судового дизеля Кнута Сюндбека. Амундсен писал, что этот швед обладал большим мужеством, если решился идти в такой дальний путь с норвежцами. 13 января 1911 года, Амундсен приплыл к ледяному барьеру Росса в Антарктиде. В это же время английская экспедиция Роберта Скотта разбила лагерь в проливе Мак-Мердо, на расстоянии 650 километров от Амундсена.
Перед походом на Южный полюс, обе экспедиции подготовились к зимовке, разместили по ходу маршрута склады. Норвежцы построили в 4 км от побережья базу «Фрамхейм», состоящую из деревянного дома площадью 32 кв.м. и многочисленных вспомогательных построек и складов, построенных из снега и льда, и углублённых в антарктический ледник. Первая попытка похода к полюсу была предпринята ещё в августе 1911 года, но крайне низкие температуры препятствовали этому (при −56 С лыжи и полозья нарт не скользили, а собаки не могли спать).
План Амундсена был детально проработан ещё в Норвегии, в частности, был составлен график движения, который современными исследователями сравнивается с музыкальной партитурой. На «Фрам» полюсная команда вернулась в день, предписанный графиком за 2 года до этого. 19 октября 1911 года пять человек во главе с Амундсеном отправились к Южному полюсу на четырёх собачьих упряжках. 14 декабря экспедиция достигла Южного полюса, проделав путь в 1500 км, водрузили флаг Норвегии. Состав экспедиции: Оскар Вистинг (Oscar Wisting), Хелмер Хансен (Helmer Hanssen), Сверре Хассель (Sverre Hassel), Олаф Бьоланд (Olav Bjaaland), Руаль Амундсен. Весь поход на дистанцию 3000 км при экстремальных условиях (подъём и спуск на плато высотой 3000 м при постоянной температуре ниже −40° и сильных ветрах) занял 99 дней. Основой плана Амундсена было использование промежуточных складов, сооружаемых на каждом градусе широты (на 84 градус ю.ш. было доставлено в марте 1911 года 1200 кг провианта, в частности, тюленье мясо), а также использование ездовых собак в качестве тягловой силы и пищи для других собак и для людей. При старте из «Фрамхейма» Амундсен брал 52 собаки, но 36 из них были убиты перед подъёмом на Полярное плато (получившее имя Равнина короля Хокона VII), мясо было захоронено в леднике или скормлено оставшимся собакам. На базу вернулись только 12 собак. Это вызвало бурные протесты обществ защиты животных по всему миру. Каждый член полюсной команды имел два костюма: эскимосский из оленьих шкур (были оставлены перед подъёмом на Полярное плато) и лыжный, сшитый из списанных армейских шерстяных одеял. Современные продувки манекенов в аэродинамической трубе показали, что костюмы Амундсена защищали от холода и ветра на 25 % лучше, чем используемые другими экспедициями. Экспедиция Роберта Скотта выдвинулась в ноябре 1911 года и достигла Южного полюса 18 января 1912 года, но на обратном пути погибла. Причиной гибели стали тяжелейшие погодные условия, в которые попала группа Скотта, травма и гибель матроса Эдгара Эванса, а также нехватка горючего. Емкости, в которых находился оставленный на складах керосин, деформировались из-за мороза и керосин начал испаряться. За 11 миль до очередного склада (склада «Одной Тонны») где их уже поджидала вспомогательная группа) экспедиция Скотта имела запас керосина на 1 день, и еды на 3 дня. Однако разразившаяся буря не позволила совершить последний переход.
В феврале 1913 года Амундсен писал: "Я пожертвовал бы славой, решительно всем, чтоб вернуть его к жизни… Мой триумф омрачён мыслью о его трагедии, она преследует меня." Последние годы Амундсен провёл в своём доме в Буне -фьорде, под Осло. Его быт называли спартанским. Он продал все ордена и открыто поссорился со многими бывшими соратниками. Фритьоф Нансен в 1927 году писал одному из своих друзей: «У меня складывается впечатление, что Амундсен окончательно утратил душевное равновесие и не вполне отвечает за свои поступки».
После полёта на дирижабле «Norge» возник конфликт между Амундсеном и Умберто Нобиле из-за того, кому принадлежит честь достижения Северного полюса — конструктору и пилоту дирижабля Нобиле, или Амундсену, как начальнику экспедиции. Этот конфликт был усилен фашистской пропагандой, которая прославляла Нобиле и оттолкнула Амундсена и норвежцев. В свою очередь Амундсен называл Нобиле «заносчивым, ребячливым, эгоистичным выскочкой», «нелепым офицером», «человеком дикой, полутропической расы». Бенито Муссолини произвел Нобиле в генералы и почетные члены правящей фашистской партии. 23 мая 1928 года Нобиле решил повторить полёт к Северному полюсу на дирижабле «Италия». Стартовав со Шпицбергена он достиг полюса, но на обратном пути из-за обледенения дирижабль разбился, члены экспедиции были выброшены на дрейфующий лёд, радиосвязь с ними прервалась. По просьбе военного министра Норвегии, Амундсен присоединился к множеству отправившихся на поиски Нобиле спасателей. 18 июня 1928 года он вылетел на гидросамолёте «Латам-47» («Latham») с французским экипажем из города Тромсё на севере Норвегии и направился к Шпицбергену. Когда самолёт находился в районе острова Медвежьего в Баренцевом море, радист сообщил, что полёт проходит в густом тумане и запросил радио-пеленг, после этого связь оборвалась. В ночь с 31 августа на 1 сентября вблизи Тромсё был найден поплавок «Латама-47». Точные обстоятельства гибели Амундсена неизвестны. Одному итальянскому журналисту, который спрашивал, что же его так очаровывает в полярных областях, Амундсен ответил: «Ах, если бы вам когда-нибудь довелось увидеть своими глазами, как там чудесно, — там я хотел бы умереть». Умберто Нобиле и ещё семерых уцелевших его спутников обнаружили через пять дней после гибели Руаля Амундсена.
КАМЕРЛИНГ-ОННЕС, Хейке.
21 сентября 1853 г. – 21 февраля 1926 г.
Голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес родился в Гронингене на севере Нидерландов. Его отец Харм Камерлинг-Оннес был преуспевающим владельцем кирпичного завода, мать, урожденная Анна Гердина Коерс, была дочерью архитектора. По окончании средней школы К.-О. в 1870 г. поступил в Гронингенский университет, где изучал математику и физику. Степень кандидата (примерно эквивалентную степени бакалавра) он получил в 1871 г. Три семестра К.-О. провел в Гейдельбергском университете (Германия), где его занятиями руководили химик Роберт Бунзен и физик Густав Кирхгоф. В 1873 г. К.-О. возвратился в Гронинген. Через шесть лет он блестяще защитил докторскую диссертацию, в которой предложил новое доказательство вращения Земли. С 1878 по 1882 г. К.-О. читал лекции в Политехническом училище (позднее преобразованном в Технический университет) Дельфта. Внимание К.-О. привлекала теория газов Йоханнеса Ван-дер-Ваальса, устанавливающая соотношение между давлением, температурой и объемом. Она позволяла учесть различия в поведении реальных и идеальных газов. В то время Ван-дер-Ваальс преподавал в Амстердаме, и К, – О. вступил с ним в переписку по поводу молекулярной теории. В 1882 г., в возрасте двадцати девяти лет, К.-О. получил назначение на должность профессора экспериментальной физики Лейденского университета и стал во главе физической лаборатории этого университета. В своей вступительной лекции К.-О. провозгласил принцип, которым неукоснительно руководствовался на протяжении сорока двух лет своего пребывания в Лейденском университете: «Через измерение к знанию». По мнению К.-О., физические лаборатории должны производить количественные измерения и ставить качественные эксперименты; теоретические описания должны подкрепляться точными измерениями, производимыми с астрономической точностью. Согласно теории соответственных состояний Ван-дер-Ваальса, все газы ведут себя одинаково, если единицы давления и температуры выбраны с учетом слабых сил притяжения между молекулами. К.-О. считал, что исследование поведения газов при низких температурах может дать важную информацию для проверки теории соответственных состояний. Для достижения низких температур необходимо сжижать газы. К.-О. выбрал темой для работы своей лаборатории узкую область криогеники – исследование низкотемпературных эффектов. Он построил крупный завод по сжижению газов для получения больших количеств низкотемпературных жидкостей – кислорода, азота и воздуха. Эти жидкости были необходимы для проведения экспериментов по изучению свойств материалов и достижения еще более низких температур. Чтобы подготовить квалифицированных ассистентов, К.-О. в 1909 г. открыл училище для механиков и стеклодувов. Вскоре выпускников лейденского училища можно было встретить в физических лабораториях всего мира. Лаборатория К.-О. стала образцом для научно-исследовательских институтов XX века. Хотя шотландский ученый Джеймс Дьюар получил жидкий водород в 1898 г., только К.-О. удалось наладить получение жидкого водорода в значительных количествах. Его заводская установка производила 4 литра жидкого водорода в час. Для создания установки потребовалось все искусство подготовленных К.-О. техников: механиков – для создания насосов, стеклодувов – для изготовления прозрачных сосудов, сквозь стенки которых можно было бы наблюдать за поведением веществ при низких температурах. Через два года К.-О. впервые удалось получить жидкий гелий при температуре всего лишь на 4° выше абсолютного нуля. Некоторые ученые сомневались, что это вообще достижимо. «Я был вне себя от радости, когда смог продемонстрировать жидкий гелий моему другу Ван-дер-Ваальсу, чья теория была моей путеводной нитью, позволившей довести сжижение до конца», – вспоминал впоследствии К.-О. С помощью жидкого гелия К.-О. удалось достичь еще более низких температур: 1,38 К в 1909 г. и 1,04 К в 1910-м. Однако основной его заботой оставалось исследование свойств веществ при столь низких температурах. Он изучал спектры поглощения элементов, фосфоресценцию различных соединений, вязкость сжиженных газов и магнитные свойства веществ. Поскольку температура является мерой случайного движения молекул вещества, а это затемняет суть некоторых явлений, понижение температуры может, по выражению К.-О., помочь «приподнять завесу, которую простирают над внутренним миром атомов и электронов тепловые движения при обычных температурах». Свое наиболее поразительное открытие К.-О. сделал в 1911 г. Он обнаружил, что при низких температурах электрическое сопротивление некоторых металлов полностью исчезает. Это явление К.-О. назвал сверхпроводимостью. К.-О. предположил, что объяснение сверхпроводимости будет дано квантовой теорией. В 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер предложили теоретическое объяснение явления сверхпроводимости. К.-О. был удостоен Нобелевской премии по физике 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия». Представляя лауреата, Теодор Нордстрем из Шведской королевской академии наук сказал, что «достижение столь низких температур имеет огромное значение для физических исследований и работы К.-О. внесут свой вклад в новые теории электрона». К.-О., снискавший всеобщую любовь и заслуживший почетное прозвище Господин Абсолютный Нуль, многое сделал для развития международного сотрудничества в области науки. Он охотно приглашал иностранных ученых поработать в своей лаборатории. Основанный им журнал «Сообщения из физической лаборатории Лейденского университета» ("Communications From the Physical Laboratory of the University of Leiden") стал самым авторитетным изданием по физике низких температур. К.-О. принимал деятельное участие в разработке методов использования низких температур: хранении пищевых продуктов; создании вагонов-рефрижераторов и производстве льда. В 1887 г. К.-О. вступил в брак с Элизабет Билефельд. У супругов родился один сын. Интересы К.-О. не замыкались в стенах его лаборатории. Он был преданным семьянином, и его коллеги отзывались о нем как о человеке большого обаяния и скромности. Во время первой мировой войны он принимал участие в организации помощи голодающим детям различных стран. Грандиозность его свершений и интенсивность научной деятельности находились в явном несоответствии с хрупким здоровьем, которым он отличался на протяжении всей своей жизни. После непродолжительной болезни К.-О. скончался в Лейдене 21 февраля 1926 г. В числе его многочисленных наград были золотая медаль Маттеуччи Национальной академии наук Италии, медаль Румфорда Лондонского королевского общества и медаль Франклина Франклиновского института. Он был почетным доктором Берлинского университета. Когда ему не исполнилось и тридцати, он был избран членом Королевской академии наук в Амстердаме. К.-О. состоял членом академий наук Копенгагена, Геттингена, Галле, Упсала, Турина и Вены.
Холодный помощник человека.
Человек осознал какую пользу может принести холод, первобытный человек хранил своё пропитание в снегу, т.к. еда в снеге дольше сохраняется. Отсюда и берет начало отношения между человеком и холодом, как товарищеские. Замораживание и даже простое охлаждение - сложный процесс, требующий глубоких научных знаний и технического опыта. Холод находит широкое применение во многих отраслях промышленности. Возьмем простой пример. Для получения смазочных масел из нефти необходимо удалить парафиновые примеси, а это можно делать только при температуре - 20 С. Но особенно важно использование низких температур в тяжелой промышленности для выделения отделенных газов из различных смесей. С помощью очень низких температур, при которых газы превращаются в жидкости, выделяют воздух, коксовый газ, чистый водород и нефтяные газы. Сейчас сжиженный воздух и другие газы находят самое широкое применение. Чтобы превратить их в жидкость, необходимо высокое давление и очень низкие температуры. На сталелитейных заводах ежедневно используют тысячи тонн жидкого кислорода - он помогает удалить из стали лишний углерод. Жидкий кислород получают, охлаждая воздух до -180 С: при этой температуре сжижает только кислород. Много жидкого кислорода и жидкого водорода расходуется при запуске космического кораблей.
Чтобы громадная ракета "Энергия" взмыла вверх, преодолев земное притяжение, нужно затратить сотни тонн жидкого кислорода. С помощью холода можно превратить в жидкость и такой газ, как метан; его удобнее перевозить в танкерах в жидком виде.
Теплообменник - устройство для передачи тепловой энергии от более нагретой среды к более холодной. Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве.
Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяют на поверхностные, где отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой.
Рекуперативный теплообменник — теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. При неизменных условиях параметры теплоносителей на входе и в любом из сечений каналов, остаются неизменными, независимыми от времени, т.е. процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными.
В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред. Часто под рекуперативным теплообменником ошибочно понимается рекуперативный противоточный теплообменник. (В нём вместо уравнивания температурных потенциалов происходит их обмен, потери могут составлять до 30 %).
Наиболее распространённые в промышленности рекуперативные теплообменники:
Кожухотрубные теплообменники
Элементные (секционные) теплообменники.
Двухтрубные теплообменники типа "труба в трубе".
Витые теплообменники
Погружные теплообменники
Пластинчато-ребристые теплообменники
Спиральные теплообменники
Конструкционно теплообменники подразделяют на: объемные одна из сред имеет значительный объем в теплообменнике, одна среда сосредоточена в баке большого объема, вторая протекает через змеевик; скоростные (кожухотрубные) среды движутся с достаточно большой скоростью для увеличения коэффициента теплоотдачи, много мелких трубочек находятся в одной большой (кожух), среды движутся одна в межтрубном пространстве, другая внутри трубочек, обычно в трубочках находится более «грязная» среда, так как их легче чистить; пластинчатый теплообменник состоит из набора пластин, среды движутся между пластинами, прост в изготовлении (штампованные пластины складываются с прокладками между ними), легко модифицируется (добавляются или убираются пластины), хорошая эффективность (большая площадь контакта через пластины). Пластинчато-ребристый теплообменник в отличие от пластинчатого теплообменника состоит из системы разделительных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности - насадки, присоединенные к пластинам методом пайки в вакууме. С боков каналы ограничиваются брусками, поддерживающими пластины и образующие закрытые каналы. Таким образом, в основу пластинчато-ребристого теплообменника положена жесткая и прочная цельнопаянная теплообменная матрица, построенная по сотовому принципу и работоспособная (даже в исполнении из алюминиевых сплавов) до давления 100 атм. и выше. В пластинчато-ребристых теплообменниках существует большое количество насадок, что позволяет подбирать геометрию каналов со стороны каждого из потоков, реализовывая оптимальную конструкцию. Основные достоинства данного типа теплообменников - компактность (до 4000 м2/м3) и легкость. Последнее обеспечивается за счет применения при изготовлении теплообменной матрицы пакета из тонколистовых деталей из легких алюминиевых сплавов. Спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки — керна, среды движутся по каналам. Одно из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей. При выборе между пластинчатыми и кожухотрубными теплообменниками предпочтительными являются пластинчатые, коэффициент теплопередачи которых более чем в три раза больше, чем у традиционных кожухотрубных. Кроме того, коэффициент полезного действия пластинчатых теплообменников составляет 90-95 %, а занимаемая площадь в 3-4 раза меньше, чем для кожухотрубных. В то же время пластинчатые теплообменники, оснащённые средствами автоматики, регулирования и надёжной арматурой, позволяют снизить количество теплоносителя, идущего на нагрев воды. А значит, и диаметры трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры, снизить нагрузки на сетевые насосы и, соответственно, уменьшить потребление электроэнергии и др. Но на данный момент стали появляться современные кожухотрубные теплообменники, оснащенные трубками, профилированными таким образом, чтобы рост гидравлического сопротивления ненамного превышал рост теплоотдачи вследствие применения турбулизаторов потока. Это достигается накаткой на внешней поверхности трубы кольцевых или винтообразных канавок, вследствие образования которых на внутренней поверхности трубы образуются плавно очерченные выступы небольшой высоты, интенсифицирующие теплоотдачу в трубах. Данная технология, в дополнение к таким важным показателям как высокая надежность (также при гидравлическом ударе) и меньшая стоимость, дает отечественному кожухотрубному оборудованию дополнительные преимущества по сравнению с иностранными пластинчатыми аналогами. Но это преимущество исчезает при первой промывке такого теплообменника, т.к. очистка внутренних поверхностей трубок с винтообразными канавками практически невозможна и ведет к быстрому выходу такого теплообменника из строя. Серьёзной проблемой является коррозия теплообменников. Для защиты от коррозии применяется газотермическое напыление трубных досок, труб пароперегревателей. Это относится только к кожухотрубным теплообменникам, изготовленным из углеродистой стали. Пластинчатые теплообменники в подавляющем большинстве изготавливаются из нержавеющей стали. Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния. Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.
С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:
- однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением
- диапазон давления от вакуума до высоких значений
- в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов
- удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата
- размеры от малых до предельно больших (5000 м2)
- возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению
- использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.
- возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта
Однако такое широкое разнообразие условий применения кожухотрубных теплообменников и их конструкций никоим образом не должно исключать поиск других, альтернативных решений, таких, как применение пластинчатых, спиральных или компактных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются приемлемыми и их применение может привести к экономически более выгодным решениям. Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Классическая схема кожухотрубчатого теплообменника показана на рисунке:
Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор паровой турбины мощностью 150 МВт состоят из 17 тысяч труб с общей поверхностью теплообмена около 9000 м2.
Пластинчато-ребристые теплообменники (ПРТ) применяются для теплообмена между жидкими и газообразными неагрессивными средами в интервале температур плюс 200 °С – минус 270 °С с интервалом рабочего давления от вакуума до 10,0 МПа (100 атм.). Как только заходит речь о теплопередаче с невысокими значениями коэффициентов теплоотдачи одного или нескольких потоков, с большой степенью уверенности можно говорить о том, что наиболее оптимальное решение может быть достигнуто с использованием ПРТ. Сферы применения. Вопросы теплообмена газовых, в т.ч. воздушных потоков низкого и среднего давления, охлаждения разных видов масел, теплообмена на транспортных установках, теплообмена для установок, подвергающихся вибрационным и другим нагрузкам механического характера – традиционные задачи, в которых ПРТ не имеют себе конкурентов. Преимущества и отличительные черты. Пластичато -ребристые теплообменники (ПРТ) обладают целом рядом преимуществ по сравнению с другими типами теплообменных аппаратов. К ним можно отнести следующие: Конструкция и технология. Пластинчато-ребристые теплообменники (ПРТ) состоят из нескольких основных составных частей. Основой пластинчато-ребристых теплообменников (ПРТ) является многослойный пакет (матрица) из плоских проставочных листов, плакированных с двух сторон припоем, гофрированных ребристых насадок и ограничивающих брусков.
Для того чтобы сжимать газ создан компрессор.
В быту, промышленном производстве, медицине и стоматологии всё большее применение получает компрессорная техника. В зависимости от требований и технических условий компрессорные установки бывают различных типов - поршневые с ременным приводом, безмаслянные поршневые и винтовые. Большее распространение в промышленном производстве получили винтовые компрессоры, как способные создавать большее давление воздуха. В последнее время успешно развивается новая наука - физика низких температур. Эта наука имеет дело с очень низкими температурами, чаще всего с такими, при которых воздух переходит в жидкое состояние, при -194 С. Сверххолод имеет большое промышленное значение. Медь, например, - хороший проводник электричества, причем при низких температурах её электропроводнсть повышается. Другие вещества - ртуть, олово, алюминий при сверхнизких температурах имеют почти нулевое сопротивление, становясь сверхпроводниками. Электромоторы при температуре 4 К могут иметь коэффициент полезного действия, равный почти 100%. Сверхнизкие температуры используются также при получении светового луча от охлаждаемого рубинового кристалла. Такой луч называется лазерным.
Рубиновый лазер – усовершенствованная схема конструкции Т. Меймана (1960). Основные его элементы – цилиндрический рубиновый стержень с плоскими посеребренными торцами, кожух охлаждения (его не было в устройстве Меймана) и газоразрядная лампа накачки. 1 – посеребренный торец стержня (глухое зеркало); 2 – рубиновый стержень; 3 – охлаждающая жидкость; 4 – газоразрядная лампа накачки; 5 – кожух (трубка) охлаждения; 6 – слабо посеребренный торец стержня (полупрозрачное зеркало).
Световые волны лампы-вспышки возбуждают электроны в атомах рубина. Возбужденные электроны начинают испускать собственное излучение при переходе вновь в обычное, не возбужденное состояние. Высокая интенсивность световых волн позволяет просверлить отверстие в любом материале за тысячную долю секунды. Лазер широко применяется в криохирургии: удалять миндалины, опухоли, причем операция бывает бескровной и исключает опасность заражения: холод надежно стерилизует хирургический инструмент. Такой хирургический метод - большой шаг в медицине.
Холод дает человеку огромные возможности развиваться в дальнейшем. Во всех отраслях связанных с низкотемпературным режимом есть много над чем надо работать и есть куда развиваться. Физика низких температур молодая наука и она нуждается в своих покорителях
Интересные факты и опыты с холодом.
Затопленный мир.
Если бы весь лед, который покрывает одну десятую земного шара, растаял, последствия для человечества были бы самые катастрофические. Если растопить самые большие ледники на земном шаре, которые покрывают Гренландию (1,8 млн. кв. км.) и Антарктику (5 млн. кв. км.), то уровень воды в Мировом океане поднимется на 76 метров; вода затопит все гавани и самые большие города мира. Панамский канал превратиться в пролив, а от Суэцкого канала не останется ни следа. Берингов пролив, разделяющий Чукотский полуостров и Аляску, станет значительно шире, и теплые течения устремятся в Северный Ледовитый океан, оттесняя холодные воды к западным берегам Северной Америки. Большая часть Англии, за исключением возвышенной центральной части, окажется под водой. Нью-Йорк будет затоплен почти целиком - над водой останутся лишь одни верхушки небоскребов. А вот Австралия и Африка пострадают совсем не значительно. Распределение осадков на земном шаре станет совсем иным, и континентальность области будут очень страдать от засухи. В результате произойдет смещение полюсов, воздух перенасытится влагой и начнутся обильные снегопады и вслед за ними наступит новый ледниковый период. Это грандиозное таяние ледников приведет к созданию на Земле условий, близких, к тем которые существовали до великих ледниковых эпох. Температура воздуха почти на всех широтах будет одинаковой. В Антарктике лето станет теплее, чем в Арктике, а зима холоднее. В Арктике, например, летние температуры поднимутся на 5 - 10 град., а зимние на 3 - 5С. По-видимому, начнется массовая миграция зверей и птиц на север. Потепление Мирового океана не замедлит сказать на жизни морских животных и рыб.
Джунгли у полюсов.
Многие тысячи лет назад, задолго до того, как в плейстоцене пятая часть нашей планеты оказалась скованной огромным ледяным панцирем, тропические леса росли вплоть до полярных областей. За десять тысяч лет, прошедших после отступления ледника, климат на Земле менялся несколько раз. Между 4 и 2 тысячелетием до нашей эры на Земле наблюдалось потепление, и уровень Мирового океана поднялся на 2 метра. Потом вновь похолодало, а около X века нашей эры полярные льды снова отступили, и викинги смогли достичь берегов Гренландии и Америки. Температурные колебания происходят и теперь.
Снежные лавины.
Лавина (нем. Lawine, от позднелатинского labina — оползень) — масса снега, падающая или соскальзывающая со склонов гор. Наиболее благоприятны для лавинообразования склоны крутизной 25—45°, однако известны сходы лавин со склонов крутизной 15—18°. На более крутых склонах снег не может накапливаться в больших количествах и скатывается небольшими дозами по мере поступления. Объём снега в лавине может доходить до нескольких сотен кубических метров. Однако опасными для жизни могут быть даже лавины объёмом около 5 м³.
Существуют несколько классификаций лавин, например:
- По объёму
- По рельефу лавиносбора и пути лавины (лотковая лавина, прыгающая лавина)
- По консистенции снега (сухая, мокрая)
Скорость движения сухих лавин обычно составляет 20—70 м/с (до 125 м/с) при плотности снега от 0,02 до 0,3 г/см³. Мокрые лавины движутся со скоростью 10-20 м/с (до 40 м/с) и имеют плотность 0,3—0,4 г/см³. Сход лавины из сухого снега может сопровождаться образованием снеговоздушной волны, производящей значительные разрушения. Снежные лавины, в той или иной степени, распространены во всех горных районах России и в большинстве горных районов мира. В зимний период они являются основной природной опасностью гор.
Сухой лёд.
При обычной температуре и нормальном давлении углекислый газ не может находится в жидком состоянии. Поэтому твердая углекислота, или сухой лед, сразу же превращается в газ. Температура сухого льда -79 С. Его используют для кратковременного хранения продуктов, предназначенных для обслуживания пассажиров, например на воздушных лайнерах. Сухой лед избавляет от необходимости устанавливать в самолетах электрохолодильники. Его чаще применяют при перевозках скоропортящихся товаров. А также его применяют в медицине.
Соль против льда.
Зимой дороги часто посыпают солью, потому что соль так же, как и этиленгликоль, понижает температуру замерзания воды. Соль ускоряет таяния снега и препятствует образования льда на дорогах, но оседая на корпусе автомобиля, ускоряет появления ржавчины.
Роса и мороз.
Роса - вид атмосферных осадков, образующихся на поверхности земли, растениях, предметах, крышах зданий, автомобилях и других предметах. Из-за охлаждения воздуха водяной пар конденсируется на объектах вблизи земли и превращается в капли воды. Это происходит обычно ночью. В пустынных регионах роса является важным источником влаги для растительности. Достаточно сильное охлаждение нижних слоёв воздуха происходит, когда после заката солнца поверхность земли быстро охлаждается посредством теплового излучения. Благоприятными условиями для этого являются чистое небо и покрытие поверхности, легко отдающее тепло, например травяное. Особенно сильное образование росы происходит в тропических регионах, где воздух в приземном слое содержит много водяного пара и благодаря интенсивному ночному тепловому излучению земли существенно охлаждается. При отрицательных температурах образуется иней.
Температура воздуха ниже которой выпадает роса, называется точкой росы.