- •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 № 5. Характеристика процесса расширения газов
Процесс расширения газа с отдачей внешней работы характеризуется двумя величинам:
холодопроизводительностью процесса Q;
температурой газа в конце процесса расширения Тквн..
Работа адиабатического расширения газа, соответствующая холодопроизводительности процесса, состоит из двух частей. Первая часть – это работа за счет использования внутренних межмолекулярных сил газа. Она проявляется в охлаждающем эффекте Джоуля-Томсона и выражается разностью энтальпий при давлениях Р1 и Р2 и температуре Т1 (рис. 4).
Q1 = i1 – i2
Вторая часть – это внешняя работа детандера вследствие расширения в нем газа. Ее эффект охлаждения выражается уменьшением энтальпии I кг газа при адиабатическом расширения в детандере с давления Р2 и температуры Т21 до давления Р1 и температуры T2 по линии 3–4 (рис. 4).
Q2 = i3 – i4
Общая холодопроизводительность процесса с детандером
Q = Q1 + Q2
Рис. 4. Схема определения холодопроизводительности процесса
с детандером по диаграмме
В действительности чисто адиабатический процесс расширения в детандере не протекает, так как невозможно полностью исключить теплообмен между газом и стенками, трение и т.п. Поэтому расширение происходит фактически не по адиабате 3-4, а по какой-то кривой 3-4’ (политропе), и теплоперепад в детандере будет не Q2 , а Q′2 = i3 – i′4, причем Q′2 < Q2, т.е. в детандере получается меньше холода, чем при адиабатическом процессе.
Вследствие этого температура в конце расширения газа в детандере выше, чем при адиабатическом расширении.
Отношение ηад = Q′2/Q2 называется адиабатическим кпд детандера и показывает степень совершенства его работы, т.е. насколько действительный процесс расширения газа в детандере приближается к адиабатическому. Для адиабатического процесса расширения газа величина кпд равна 1, т.е. ηад = 1.
Q = i3 – i′4 = (i3 – i4) ηад
Величина адиабатного кпд детандера лежит обычно в пределах
ηад = 0,65÷0,85
Температура газа в конце расширения может быть определена несколькими способами:
непосредственным измерением (термометрами);
подсчитана по формуле:
Тнач
Ткон = К,
(Рвач/ Ркон) n-1/ n
где: Тнач – начальная температура сжатого газа при поступлении его в детандер;
n – показатель политропы процесса расширения;
Рнач/Ркон – перепад давлений в цилиндре детандера. Определяется посредством энтропийной диаграммы, если даны адиабатный кпд и давление в конце расширения.
Для этого вычисляют энтальпию точки конца процесса i′4 = i3 – Q и по двум параметрам Р1 и i′4 определяют точку, через которую проходит искомая изотерма (рис. 4).
Из анализа адиабатного (изоэнтропного) расширения газа можно установись следующее:
температура газа при расширении в любой области всегда понижается; увеличением начальной темепературы возрастает перепад температур и работа расширения (холодопроизводителъность) газа при одном и том же перепаде давлений;
в области высоких давлений изменение температуры, приходящееся на 0,1 МПа изменения давления, меньше, нежели в области низких давлений;
в области низких температур (близких к критическому состоянию и при состоянии насыщенного пара) интегральный эффект дросселирования и изоэнтропный перепад температур близки между собой, поэтому расширение газа в детандере может быть заменено более простым по осуществлению процессом дросселирования.
Процесс расширения газа при выхлопе, когда происходит быстрое опорожнение какой-либо емкости и давление в сосуде падает почти мгновенно, также можно считать процессом с совершением внешней работы.
В этом случае газом, выходящим из сосуда, совершается работа на преодоление сил внешнего давления Ро. Величину этой работы можно определить:
l = Р0 (Vкон – Vнач)
и соответствующее изменение внутренней энергии (холодопроизводительность в диабатных условиях) будет равна:
Δ U = – Аl = – АР0 (Vкон – Vнач).
Так как U = АРV, то получим
Δi = АРТнач (1 – Ркон/Рнач).
Изменение температуры газа при выхлопе будет равно
1–к
Ркон
ΔТ = Тнач﴾1 – ﴿
к
Рнач
Величина изменения температуры ∆Т в этом процессе существенно меньше, чем в случае изоэнтропного расширения в детандере. Этот процесс применяется в так называемых экспансионных охладителях.