- •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 № 4. Сущность процесса расширения газов с отдачей внешней работы
При расширении газа с отдачей внешней работы, выражающейся в перемещении поршня или вращении рабочего колеса турбины, температура газа понижается значительно.
Доказано, что наибольшее охлаждение газа происходит тогда, когда процесс осуществляется адиабатически, т.е. без подвода и отнятия теплота от рабочего газа.
На диаграмме S-T (рис. 3) такой процесс изображен вертикальной линией, так как энтропия при этом остается постоянной. В реальных условиях адиабатический процесс осуществить нельзя, поскольку неизбежен теплообмен газа со стенками рабочей машины, в которой происходит расширение газа. Чем ближе действительный процесс расширения газа к адиабатическому, тем выше охлаждающий аффект.
Для адиабатического расширения идеального газа абсолютные температуры и давления в начале и конце расширения газа связаны следующим соотношением
Т2 / Т1 = (Р2 / Р1)к-1 / к
где: Р1 и Т1 – начальные давление и температура;
Р2 и Т1 – конечные давление и температура;
к – показатель кривой (адиабаты) расширения, равный отношению теплоемкостей газа к = СР / СV. Для воздуха к = 1,4.
При более высоком начальном давлении часть воздуха в конце расширения теоретически может переходить в жидкость. Таким образом, данный процесс является эффективным способом охлаждения газа и используется в тех случаях, когда основную часть продуктов разделения воздуха требуется получать в жидком виде, или для покрытия значительных холодопотерь в окружающую среду.
В процессе расширения с отдачей внешней работы реальные газы всегда понижают свою температуру. Действительный охлаждающий эффект расширения реального газа как при низких, так и высоких начальных температурах получается обычно несколько большим, чем для идеального газа. Однако вблизи критической точки охлаждающий эффект быстро уменьшается с понижением температуры и увеличением давления, и становится значительно ниже, чем для идеального газа.
Рассмотрим физическую сущность данного процесса.
При любом расширении идеальный газ должен производить следующие виды работ:
по преодолению внутренних сил притяжения между молекулами газа;
по преодолению внешнего сопротивления увеличению объема газа при расширении;
внешнюю работу за счет изменения давления газа при расширении.
При дросселировании энергия газа расходуется только на первый и второй виды работы, поэтому степень охлаждения газа незначительна. Третий вид работы также производится газом, но это не влияет на понижение температуры, так как работа затрачивается на преодоление сил трения при прохождении газа через дроссель и расходуемая внутренняя тепловая энергия газа возмещается возникающей теплотой трения.
Иными являются условия при адиабатическом расширении газа в поршневом детандере или турбодетандере. В этом случае третий вид работы отдается наружу как внешняя работа расширения (перемещает поршень или вращает рабочее колесо турбины), а затрачиваемая на нее внутренняя теплота газа не возмещается поступлением извне. Поэтому при расширении с отдачей внешней работы газ охлаждается значительно сильнее, чем при дросселировании, так как его внутренняя энергия расходуется на все три вида работы.
Процесс расширения газа с отдачей внешней работы наиболее эффективен, чем процесс дросселирования.
Пример. При дросселировании сжатого воздуха с 20 до 0,6 МПа удельная холодопроизводительность составляет приблизительно 33 кДж/кг, а температура понижается всего лишь на 40-50 градусов.
В случае расширения воздуха в поршневом детандере с 20 до 0,6 МПа с начальной температурой 300°К удельная холодопроизводительность составляет 125–135 кДж/'кг, а температура понижается на I50–160 градусов.
Таким образом, процесс расширения газа с отдачей внешней работы по холодопроизводительности в 3,5–4 раза эффективнее процесса дросселирования.
Как видно из принципа образования холода в детандерах, они могут быть холодильными машинами на любом газе, независимо от его сжимаемости.
Для непрерывного осуществления процесса охлаждения газа в детандерах необходимы следующие агрегаты:
компрессор;
концевой холодильник;
детандер.
Газ сжимается в компрессоре до рабочего давления и охлаждается в концевом холодильнике до температуры охлаждающей среды (вода), а затем поступает в детандер. В цилиндре газ расширяется и совершает работу, толкая поршень. На совершение работы затрачивается внутренняя энергия газа, вследствие чего его температура снижается, газ охлаждается. Одновременно при этом часть внутренней энергии затрачивается как и при дросселировании на преодоление межмолекулярных сил сцепления.
Наибольший эффект получается при адиабатном (изоэнтропном) расширении, когда к расширявшемуся в цилиндре газу тепло извне не подводится.
Рис. 3. Схема и график процесса расширения газа с отдачей
внешней работы
Действительный процесс является политропным с подводом тепла. Тепло к газу подводится через стенки цилиндра из окружающей среды и за счет трения поршня в цилиндре детандера.