Криогенная техника

align="justify">      изотерма 2—0 — конденсации газа.

      Площадь ниже 1—2—0 эквивалентна количеству теплоты, которое необходимо отвести от газа при его сжижении, а площадь внутри контура 1—2—0—3 (1—3 — изотермическое сжатие газа,

       3—0 — адиабатическое его расширение) характеризует термодинамически  минимальную работу L_min, необходимую для сжижения газа. 

      L_min = T₀(S_Г — S_Ж) — (J_Г - J_Ж), 

      где T₀ — температура окружающей среды; S_Г, S_Ж — энтропии газа и жидкости; J_Г, J_Ж — теплосодержания (энтальпии) газа и жидкости.

      Значения L_min и действительно затрачиваемой работы L_Д для сжижения ряда газов даны в таблице.

      Промышленное  сжижение газа с критической температурой Т_К выше температуры окружающей среды (например, аммиак, хлор) осуществляется с помощью компрессора, где газ сжимается, и последующей конденсацией газа в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом. Сжижения газа с Т_К, которая значительно ниже температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для сжижения газа. с низким Т_К применяются холодильные циклы, основанные на дросселировании сжатого газа (использование Джоуля — Томсона эффекта), на расширении сжатого газа с производством внешней работы в детандере, на расширении газа из постоянного объёма без совершения внешней работы (метод теплового насоса). В лабораторной практике иногда используется каскадный метод охлаждения (сжижения).

  Графическое изображение и схема дроссельного цикла сжижения газа дана на рис.13.

       Рис.13

      После сжатия в компрессоре (1—2) газ последовательно  охлаждается в теплообменниках (2—3—4) и затем расширяется (дросселируется) в вентиле (4—5). При этом часть газа сжижается и скапливается в сборнике, а несжижившийся газ направляется в теплообменники и охлаждает свежие порции сжатого газа. Для сжижения газа по циклу с дросселированием необходимо, чтобы температура сжатого газа перед входом в основной теплообменник T3 была ниже температуры инверсионной точки. Для этого и служит теплообменник с посторонним холодильным агентом T2. Если температура инверсионной точки газа лежит выше комнатной (азот, аргон, кислород), то схема принципиально работоспособна и без теплообменников T1 и T2. Применение посторонних хладагентов в этих случаях имеет целью повышение выхода жидкости. Если же температура инверсионной точки газа ниже комнатной, то теплообменник с посторонним хладагентом обязателен. Например, при сжижении водорода методом дросселирования в качестве постороннего хладагента используется жидкий азот, при сжижении гелия — жидкий водород.

      Для сжижения газа в промышленных масштабах  чаще всего применяются циклы с детандерами (рис.14), т. к. расширение газов с производством внешней работы — наиболее эффективный метод охлаждения.

       Рис.14

      В самом детандере жидкость обычно не получают, ибо технически проще  проводить само сжижение в дополнительной дроссельной ступени. После сжатия в компрессоре (1—2) и предварительного охлаждения в теплообменнике (2—3) поток сжатого газа делится на 2 части: часть М отводится в детандер, где, расширяясь, производит внешнюю работу и охлаждается (3—7). Охлажденный газ подаётся в теплообменник, где понижает температуру оставшейся части сжатого газа 1 — М, которая затем дросселируется и сжижается. Теоретически расширение в детандере должно осуществляться при постоянной энтропии (3—6). Однако из-за потерь расширение протекает по линии 3—7. Для увеличения термодинамической эффективности процесса сжижения газа иногда применяют несколько детандеров, работающих на различных температурных уровнях.

      Циклы с тепловыми насосами обычно используются (наряду с детандерными и дроссельными циклами) при сжижения газа с помощью  холодильно-газовых машин, которые  позволяют получать температуры  до 12 К, что достаточно для сжижения всех газов, кроме гелия (см. табл.). Для сжижения гелия к машине пристраивается дополнительная дроссельная ступень.

      Подвергаемые  сжижению газы должны очищаться от паров воды, масла и др. примесей (например, воздух — от углекислоты, водород — от воздуха), которые при охлаждении могут затвердеть и закупорить теплообменную аппаратуру. Поэтому узел очистки газа от посторонних примесей — необходимая часть установок сжижения газа.

      Значения  температуры кипения Т_кип (при 760 мм. рт. ст.), критической температуры Т_К, минимальной L_min и действительной L_Д работ сжижения некоторых газов: 
 
 

      Сжижение (конденсацию) газов возможно осуществить  лишь после их охлаждения до температур, меньших Тк. 

      2.3 Детандер (от франц. détendre - ослаблять), машина для охлаждения газа путём его расширения с отдачей внешней работы. Детандер относится к классу расширительных машин, но применяется главным образом не с целью совершения внешней работы, а для получения холода. Расширение газа в детандере - наиболее эффективный способ его охлаждения. Детандер используется в установках для сжижения газов и разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения, в криогенных рефрижераторах, в установках, имитирующих высотные и космические условия, в некоторых системах кондиционирования воздуха и т.д.

      Наиболее  распространены поршневые детандеры.  и турбодетандеры : 

Поршневой детандер

      Рис.15

      Поршневые детандеры - машины объёмного периодического действия, в которых потенциальная энергия сжатого газа преобразуется во внешнюю работу при расширении отдельных порций газа, перемещающих поршень. Они выполняются вертикальными и горизонтальными, одно- и многорядными. Торможение поршневых  детандеров осуществляется электрогенератором и реже компрессором.

      Применяются в основном в установках с холодильными циклами высокого 15-20 Мн/м² (150-200 кгс/см²) и среднего 2-8 Мн/м² (20-80 кгс/см²) давлений для объёмных расходов газа при температуре и давлении на входе в машину (физических расходов) 0,2-20 м³/ч.

      Центростремительный  реактивный турбодетандер

Рис.16

      Турбодетандеры  - лопаточные машины непрерывного действия, в которых поток проходит через неподвижные направляющие каналы (сопла), преобразующие часть потенциальной энергии газа в кинетическую, и систему вращающихся лопаточных каналов ротора, где энергия потока преобразуется в механическую работу, в результате чего происходит охлаждение газа.

      Они делятся по направлению движения потока на центростремительные, центробежные и осевые; по степени расширения газа в соплах - на активные и реактивные; по числу ступеней расширения - на одно- и многоступенчатые. Наиболее распространён реактивный одноступенчатый центростремительный детандер разработанный П. Л. Капицей. Торможение турбинных  детандеров осуществляется электрогенератором, гидротормозом, нагнетателем, насосом.

        Турбодетандеры применяются главным  образом в установках с холодильным  циклом низкого давления 0,4-0,8 Мн/м² (4-8 кгс/см²) для объёмных (физических) расходов газа 40-4000 м³/ч. Созданы турбодетандеры для холодильных циклов низкого, среднего и высокого давлений с объёмными расходами газа 1,5-40 м³/ч. Эти машины характеризуются малыми размерами (диаметр рабочего колеса 10-40 мм) и высокой частотой вращения ротора (100000-500000 об/мин).

 

       3 Адиабатный процесс

      Адиабатный  процесс - процесс, происходящий в физической системе без теплообмена с окружающей средой. Адиабатный процесс можно осуществить в системе, окруженной теплоизолирующей (адиабатной) оболочкой. Пример такого адиабатного процесса - рабочий такт тепловой машины, при котором газ (пар) расширяется в цилиндре с теплоизолирующими стенками и поршнем, при отсутствии необратимых превращений работы трения в теплоту.

      Адиабатный  процесс можно реализовать и при отсутствии адиабатной оболочки; для этого он должен протекать настолько быстро, чтобы за время процесса не произошло теплообмена между системой и окружающей средой. Так происходит, например, сжатие газа ударной волной, при котором газ, не успевая отдать выделившуюся теплоту, сильно нагревается. При скорости волны порядка 1 км/сек (скорости, достигнутой современными сверхзвуковыми самолётами) и сжатии воздуха под действием ударной волны в 4 раза температура воздуха повышается до 700 С. Адиабатное расширение газа с совершением работы против внешних сил и сил взаимного притяжения молекул вызывает его охлаждение. Такое охлаждение газов лежит в основе процесса сжижения газов Адиабатный процесс размагничивания парамагнитных солей позволяет получить температуры, близкие к абсоллютному нулю.

      Адиабатные  процессы могут протекать обратимо и необратимо. В случае обратимого адиабатного процесса энтропия системы  остаётся постоянной. Поэтому обратимый  адиабатный процесс  называют ещё  изоэнтропийным. На диаграмме состояния системы он изображается кривой, называемой адиабатой, или изоэнтропой. В необратимых адиабатных процессах энтропия возрастает.[3]

 

      4 Уравнение Ван-дер-Ваальса

     Уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса —  уравнение, связывающее основные термодинамические величины в модели газа Ван-дер-Ваальса.

     Хотя  модель идеального газа хорошо описывает  поведение реальных газов при  низких давлениях и высоких температурах, в других условиях её соответствие с опытом гораздо хуже. В частности, это проявляется в том, что реальные газы могут быть переведены в жидкое и даже в твёрдое состояние, а идеальные — не могут.

     Для более точного описания поведения  реальных газов при низких температурах была создана модель газа Ван-дер-Ваальса, учитывающая силы межмолекулярного взаимодействия. В этой модели внутренняя энергия U становится функцией не только температуры, но и объёма.

     Термическим уравнением состояния (или, часто, просто уравнением состояния) называется связь  между давлением, объёмом и температурой.

     Для одного моля газа Ван-дер-Ваальса оно имеет вид:

где

p —  давление,

V —  молярный объём,

T —  абсолютная температура,

R —  универсальная газовая постоянная.

     Видно, что это уравнение фактически является уравнением состояния идеального газа с двумя поправками. Поправка a учитывает силы притяжения между молекулами (давление на стенку уменьшается, т.к. есть силы, втягивающие молекулы приграничного слоя внутрь), поправка b — силы отталкивания (из общего объёма вычитаем объём, занимаемый молекулами).

     Для ν молей газа Ван-дер-Ваальса уравнение состояния выглядит так:

где V — объём,

     Потенциальная энергия межмолекулярных сил  взаимодействия вычисляется как  работа, которую совершают эти  силы, при разведении молекул на бесконечность:

     Внутренняя  энергия газа Ван-дер-Ваальса складывается из его кинетической энергии (энергии теплового движения молекул) и только что нами посчитанной потенциальной. Так, для одного моль газа:

где — молярная теплоёмкость при постоянном объёме, которая предполагается не зависящей от температуры.

     Критическими  параметрами газа называются значения его макропараметров (давления, объёма и температуры) в критической  точке, т.е. в таком состоянии, когда  жидкая и газообразная фазы вещества неразличимы. Найдем эти параметры  для газа Ван-дер-Ваальса, для чего преобразуем уравнение состояния:

     Мы  получили уравнение третьей степени  относительно .