- •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
Групповое занятие № 2. Холодильные циклы с расширением воздуха в детандерах
Холодильные циклы с расширением воздуха в детандере являются наиболее экономичными из всех циклов получения жидкого воздуха и характеризуются меньшей затратой энергии на получение 1 кг жидкого воздуха, в то же время обеспечивается наибольший выход жидкого воздуха по отношению к количеству перерабатываемого воздуха.
Поэтому данные циклы положены в основу работы всех современных газодобывающих станций, стоящих на вооружении ВВС.
Естественно, что данные циклы используются не в чистом виде, а в комплексе с дополнительными процессами, которые направлены на обеспечение максимальной экономичности циклов.
В воздухоразделительных установках для промышленного производства кислорода и азота используются различные холодильные циклы с расширением воздуха в детандере. Основные из них следующие:
цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере;
цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере;
цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы).
Учебный вопрос № 1. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере
Схема цикла среднего давления с поршневым детандером изображена на рис. 1. Воздух сжимается в компрессоре 1 до абсолютного давления 0,2–0,4 Мпа и, пройдя через змеевик водяного холодильника 2, поступает в теплообменники 3 и 4. После теплообменника 3 часть воздуха (примерно 70–80 %) отводится в цилиндр поршневого детандера 6. Сжатый и охлажденный в предварительном теплообменнике 3 воздух, расширяясь до абсолютного давления 0,1 Мпа, толкает поршень детандера и, производя при этом внешнюю работу, сильно охлаждается.
После расширения и охлаждения в детандере воздух выводится наружу через теплообменники 4 и 3, охлаждая поступающий сжатый воздух. Часть сжатого воздуха, не прошедшая через детандер (примерно 20–30 %), поступает к дроссельному вентилю 5 и, сжижаясь после дросселирования, накапливается в сборнике 7, откуда сливается через вентиль 8. Несжижившаяся часть воздуха из сборника 7 направляется в теплообменники 4 и 3.
Количество холода, получаемое в цикле с детандером, зависит от давления сжатия, температуры и количества воздуха, направляемого в детандер. Чем меньше давление сжатия, тем более низкую температуру должен иметь воздух перед детандером и тем большее количество воздуха должно направляться в детандер.
Диаграмма S–Т для цикла среднего давления с детандером показана на рис. 2. Воздух, сжатый изотермически при Т1 по линии 1–2, охлаждается под давлением Р2 в теплообменнике 3 до температуры Т3. В точке 3 часть воздуха
Т
Т1
i2 i1
3
1
Т3
i3
4 Т4
6 6
7 Т0 6´´ i6
8 Энтропия S, ккал/(кг·град)
идет в детандер, где расширяется по линии 3–6 до давления Р4, охлаждаясь при этом до Т6. По линии 6–1 в теплообменниках, основном 4 и предварительном 3, происходит передача холода потоку сжатого воздуха от воздуха после детандера. Остальная часть сжатого воздуха по линии 3–4 охлаждается в основном теплообменнике и в точке 4 по линии 4–5 (i = const) дросселируется и сжижается, а затем выводится из сборника. Несжижившаяся часть воздуха отводится через теплообменники 4 и 3, где смешивается с воздухом из детандера, охлаждая сжатый воздух по линии 6–1.
Несмотря на то, что в цикле с детандером допустимы более низкие давления сжатия, чем в цикле с дросселированием, и, казалось бы, возможно получение жидкого воздуха весьма экономичным способом, тем не менее расход энергии на 1 кг перерабатываемого воздуха незначительно отличается от расхода в цикле с дросселированием и аммиачным охлаждением. Это объясняется тем, что в цикле с детандером возникают дополнительные потери холода в поршневом детандере и потери в результате неполного использования работы расширяющего в нем воздуха. Практически удельный расход энергии в цикле с детандером равен расходу энергии в цикле двух давлений с дросселированием и предварительным аммиачным охлаждением.
Разработан также цикл с последовательным расширением воздуха в двухступенчатом детандере. Такие циклы со ступенчатым расширением воздуха и использованием одного или нескольких детандеров иногда применяются в крупных установках для сжижения гелия.