- •Учебно-методический материал Раздел №1 «Теоретические основы криогенной техники»
- •Оглавление
- •Тема № 1. Сжатие газов Лекция №1. Назначение, содержание дисциплины. Принцип работы компрессоров и воздухоразделительных установок Учебный вопрос № 1. Назначение и содержание дисциплины
- •Учебный вопрос № 2. Роль газов в обеспечении полетов авиации
- •Учебный вопрос № 3. Назначение, классификация, характеристики и области применения компрессоров
- •Учебный вопрос № 4. Построение диаграммы s – т.
- •Групповое занятие № 1. Процессы одноступенчатого и многосту-пенчатого сжатия газов Учебный вопрос № 1. Одноступенчатое сжатие и его предел
- •Учебный вопрос № 2. Многоступенчатое сжатие.
- •Тема № 2. Очистка и осушка воздуха. Лекция №1. Очистка и осушка воздуха Учебный вопрос № 1. Необходимость очистки и осушки воздуха
- •Учебный вопрос № 2. Способы очистки воздуха
- •Групповое занятия №2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами Учебный вопрос № 1. Характеристики адсорбентов
- •Учебный вопрос № 2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами
- •Практическое занятие № 1. Адсорберы воздухоразделительных установок и взрывобезопасность. Учебный вопрос № 1. Адсорберы вру и взрывоопасность
- •Тема № 3. Расширение газов. Лекция № 1. Дросселирование газов. Учебный вопрос № 1. Сущность процесса дросселирования
- •Сжатый газ
- •Учебный вопрос № 3. Применение процесса дросселирования и влияние различных факторов на его эффективность
- •Групповое занятие № 2. Расширение газов с отдачей внешней работы. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация детандеров
- •Учебный вопрос № 3. Общее устройство и рабочий процесс турбодетандеров
- •Учебный вопрос № 4. Сущность процесса расширения газов с отдачей внешней работы
- •Учебный вопрос № 5. Характеристика процесса расширения газов
- •Тема № 4. Глубокое охлаждение. Лекция № 1.Глубокое охлаждение и его циклы. Учебный вопрос № 1. Классификация циклов глубокого охлаждения
- •Учебный вопрос № 2. Абсорбционная холодильная установка
- •Учебный вопрос № 3. Пароэжекторная холодильная установка
- •Учебный вопрос № 4. Газовые холодильные машины
- •Групповое занятие № 2. Основные способы получения холода. Учебный вопрос № 1. Основные способы получения холода, используемые в действительных циклах глубокого охлаждения
- •Учебный вопрос № 2. Холодильные циклы с дросселированием
- •Групповое занятие № 2. Холодильные циклы с расширением воздуха в детандерах
- •Учебный вопрос № 1. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере
- •Учебный вопрос № 2. Холодильный цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере
- •Учебный вопрос № 3. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы)
- •Тема № 5. Ректификация. Лекция № 1. Процессы испарения и конденсации. Учебный вопрос № 1. Общая характеристика процессов испарения и конденсации
- •Учебный вопрос № 2. Равновесие между жидкостью и паром в системе «кислород-азот» и диаграммы её равновесного состояния
- •Групповое занятие № 1. Процесс ректификации Учебный вопрос № 1. Сущность процесса ректификации
- •Учебный вопрос № 2. Однократная ректификация бинарной смеси
- •Учебный вопрос № 3. Двукратная ректификация бинарной смеси
- •Тема № 6. Процессы и аппараты воздухораздели-тельных установок. Лекция № 1. Теплообменники. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация теплообменных аппаратов
- •Учебный вопрос № 2. Рекуперативные теплообменники
- •Групповое занятие № 2. Конденсаторы-испарители Учебный вопрос № 1. Классификация и характеристики конденсаторов-испарителей.
- •Учебный вопрос № 2. Теплоотдача при конденсации пара
- •Учебный вопрос № 3. Теплоотдача при кипении
- •Групповое занятие № 3. Регенераторы Учебный вопрос № 1. Принцип действия регенераторов
- •Учебный вопрос № 2. Очистка воздуха от воды и двуокиси углерода в регенераторах
- •Учебный вопрос № 3. Способы обеспечения незабиваемости регенераторов
- •Практическое занятие № 4. Ректификационные колонны Учебный вопрос № 1. Назначение и состав ректификационных колонн
- •Учебный вопрос № 2. Классификация ректификационных колонн.
- •Учебный вопрос № 3. Конструкция ректификационных колонн промышленных установок разделения воздуха
- •Тема № 7. Контроль качества газов, применяемых в авиации Лекция № 1. Определение содержания веществ в газе. Учебный вопрос № 1. Требования к качеству газов, применяемых в авиации
- •Учебный вопрос № 2. Виды и объемы контроля качества газов, применяемых в авиации.
- •Учебный вопрос № 3. Определение содержания кислорода и азота в газовых смесях.
- •Учебный вопрос № 4. Определение содержания ацетилена, масла и вредных примесей в кислороде
- •Групповое занятие № 2. Приборы для определения влажности и качества газов, применяемых в авиации. Учебный вопрос № 1. Приборы для определения влажности газов
- •Учебный вопрос № 2. Современные методы и приборы контроля качества газов
- •Расчетные
- •Визуально
- •Инструментальные
- •Учебный вопрос № 3. Методы измерений и приборный парк
Учебный вопрос № 3. Применение процесса дросселирования и влияние различных факторов на его эффективность
Процесс дросселирования применяется для регулирования паровых двигателей и других турбомашин, в холодильных установках, приборах для определения расхода газа и др.
На джоуль-томсоновском эффекте дросселирования разработан ряд холодильных циклов для получения жидкого воздуха в воздухоразделительных установках для получения кислорода, азота и других газов. На этом принципе и был основан крайне простой холодильный цикл с дросселированием, использованный Линде в первой установке для сжижения воздуха и нашедший широкое применение в промышленности, несмотря на термодинамически очевидную его низкую эффективность. Решающим фактором в данном случае была практическая осуществимость такого цикла.
Обычно по данному циклу работают установки малой и средней производительности для получения газообразного кислорода и азота.
Общий эффект дросселирования для каждого реального газа определяется соотношением внешней и внутренней работы и зависит от начальных условий дросселирования (начального давления и температуры газа), а также физической работы газа.
Внешняя работа для воздуха, кислорода и азота в областях давлений, температур, обычных при их дросселировании в установках глубокого холода, положительна и по своей абсолютной величине незначительна по сравнению с внутренней работой. Поэтому эти газы при дросселировании всегда охлаждаются. Исключение составляют водород и гелий. Физическая природа этих газов такова, что силы взаимного притяжения между их молекулами незначительны. Поэтому внутренняя работа дросселирования водорода и гелия, затрачиваемая на преодоление межмолекулярных сил сцепления, очень мала по сравнению с внешней работой, что приводит к отрицательному эффекту дросселирования.
Из диаграммы S – Т следует, что с повышением начального давления воздуха холодопроизводительность при процессе дросселирования возрастает, а также заметно повышается его эффективность.
Абсолютное давление сжатого воздуха, МПа |
6 |
10 |
15 |
20 |
Холодопроизводительность, кДж/кг |
12,6 |
20,9 |
28,1 |
33,9 |
Фактическая затрата на 1 кг сжиженного воздуха, кДж |
252 · 103 |
30,2 · 103 |
18,7 · 103 |
14,8 · 103 |
Из этих данных видно, что с ростом давления воздуха холодопроизводительность увеличивается, а затрата энергии на 1 кг сжиженного воздуха уменьшается. Холодопроизводительность процесса возрастает пропорционально разности давлений (при данной температуре). Это приводит к заметному росту эффективности с повышением давления.
При повышении давления с 6 до 20 МПа холодопроизводительность увеличится с 12,6 до 33,9 кДж/кг или в 2,7 раза, тогда как затрата работы на изотермическое сжатие увеличится с 350 до 460 кДж/кг, то есть на 31 %. В результате эффективность процесса повысится в 2 раза.
С понижением начальной температуры газа (до определенных значений) эффективность процесса дросселирования существенно увеличивается.
Если воздух перед расширением имеет, например, температуру 15ºС, то при расширении от абсолютного давления 20 МПа до 0,1 МПа температура понизится всего на 39ºС. После предварительного охлаждения воздуха до –50ºС можно после расширения с 20 до 0,1 МПа достичь температур –121,5º С.
Для понижения температуры сжатого воздуха перед дросселированием используют теплообменники, где сжатый воздух охлаждается обратным воздухом, охлажденным в процессе дросселирования. Включение теплообменника позволяет получить то же количество холода при более низких температурах.