Теоретические основы криогенной техники. Холодильные циклы. Технологические схемы н оборудование воздухе разделительных установок.

Теоретические основы получения низких температур

Для достижения низких температур применяются дросселирование газа и расширение с отдачей внешней работы.

Дросселирование газа.Джоуль и Томсон определили значение изменения температуры реальных газов при их дросселировании. Процесс дросселирования происходит при постоянной энтальпии и является необратимым.

Дифференциальный эффект Джоуля-Томсона наблюдается при бесконечно малом изменении давления, при этом

Практически за дифференциальный эффект принимают изменение температуры при понижении давления на 0,1 МПа. Для воздуха средняя величина эффекта составляет 0,25º. Эффект дросселирования при больших разницах давлений называется интегральным и выражается:

Что происходит при дросселировании? Рассмотрим цилиндр, разделенный перегородкой на две части. Дросселируемый газ перетекает из левой части цилиндра в правую.

Рисунок-1 – К дросселированию газа

При дросселировании давление газа снижается и газ расширяется. Температура идеального газа постоянна, а температура реального газа либо повышается или понижается. Это связано с тем, что при дросселировании реальные газы совершают внутреннюю и внешнюю работу. Внутренняя заключается в преодолении сил взаимного притяжения между молекулами, а внешняя при перемещении объема газа после дросселя. Тепло, подводимое к газу в процессе изменения его состояния расходуется на изменение внутренней энергии и совершение внешней работы.

,

где - внешняя работа, совершаемая газом, - внутренняя энергия до дросселирования.

,

где - внутренняя потенциальная энергия, - кинетическая энергия молекул.

Температура газа постоянно понижается. Внешняя работа может быть положительной, отрицательной или равной 0.

ü . Влияние на изменение Т оказывает внутренняя энергия.

ü . Понижение Т за счет изменения внутренней энергии.

ü . Общий эффект дросселирования от соотношения внутренней и внешней работы.

Изоэнтропное расширение газов. Процесс расширения газа с отдачей внешней работы протекает адиабатически при постоянной энтропии. Дифференциальный эффект изменения температуры при адиабатическом расширении

При таком расширении газа происходит его значительное охлаждение. Расширение газа производится в поршневых машинах или турбомашинах, называемых детандерами. Работа детандера, в котором происходит расширение воздуха, равна разности его энтальпий на входе и выходе из детандера: .

При конечная температура может быть определена по уравнению

,

где - соответственно температуры до и после расширения газа;

- начальное и конечное давление;

- показатель адиабаты.

В основе техники сжижения лежат холодильные установки. Холодильный цикл – замкнутый процесс сжатия или расширения газа, который сопровождается нагреванием или охлаждением. Процесс удобно рассматривать с помощью энтропийной диаграммы.(рисунок 2)

Теоретические основы криогенной техники. Холодильные циклы. Технологические схемы н оборудование воздухе разделительных установок.

Для каждого газа существует определённая температура кипения, ниже которой он не может быть приращен в жидкость ни при каком давлении - критическая температура. В основу получения низких температур было получено явление Джоуля-Томпсона , которые обнаружили, что при расширении сжатого газа температура реальных газов понижается. Это явление легло в основу создания холодильных циклов, в которых можно получать низкие температуры. Цикл разработал Линде в 1925 году - цикл высокого давления, при расширении температура понижается вплоть до температуры конденсации. В это же время Линде сделал колонну двукратной ректификации. Этим методом можно получать азот с содержание 99.998%,

Pv=nRT

(p+a/V)(V-b)=RT

где a/V- сила взаимного притяжения .

Ъ- несжимаемый объем газа

Расширение сжатого воздуха в компрессорах осуществляет 3 вида работы:

1) внутренняя энергия изменяется за счет притяжения между молекулами

2) работа, совершаемая за счёт перемещения объёма газа на том давлении, в котором происходило расширение

3) полезная работа, которая отдаётся на сторону и может быть использована в газовом компрессоре и турбине.

3-ий вид работы осуществляется за счёт изменения внутренней энергии газа. При расширении газа температура будет понижаться в значительно меньшей степени, чем при дросселировании. Процесс сжатого газа осуществляется при дросселировании при постоянной энтропии.

Для сжижения газа применяется в промышленности различные холодильные циклы. Циклы с простым дросселированием сжатого воздуха детандеры.

Холодильным циклом называется процесс, последовательною сжатия и расширения воздуха, которое сопровождается их нагреванием и охлаждением.

Холодильные циклы высокого давления:

Холодильные циклы высокого давления с дросселированием разработал Линде. Холодильные циклы высокого давления с однократным дросселированием

Теплота сжатия отводится в водяном холодильнике 2. Сжатый и охлаждённый воздух поступает в трубное пространство 3, а в межтрубное подается несконденсированная часть воздуха из сборника жидкого воздуха 5. Сжатый воздух охлаждается до температуры близкой к температуре конденсации. Сжатый воздух проходит дроссельный вентиль, конденсируется и собирается в сборнике. Несконденсированный подаётся на теплообменник.

1-2 сжатие воздуха при netтояупоЙ > а талы i ни линия; 2-3 процесс охлаждения сжатого воздуха; 1-3 процесс изотермического сжатия воздуха; 3-4 процесс охлаждения сжатого воздуха в противоточном теплообменнике; 4-5 Изображает процесс дросселирования воздуха; 5-6-1 нагревание нес конденсированного воздуха.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: