- •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. Построение диаграммы s – т.
Тепловые процессы, происходящие при охлаждении и нагревании воздуха или других газов (паров), удобно изучать, пользуясь так называемой энтропийной диаграммой, по которой можно легко находить все основные величины, характеризующие тепловое состояние вещества. Эта диаграмма называется S–Т-диаграммой, т.к. по горизонтальной ее оси отложены значения энтропии S, а по вертикали – абсолютные температуры Т.
Горизонтальные прямые на диаграмме соответствуют процессам, протекающим при постоянной температуре (изотермические). Линии, изображающие процессы на диаграмме, называют изотермами.
Вертикальные прямые на диаграмме соответствуют обратимым процессам, протекающим при неизменной энтропии (без подвода и отвода тепла – адиабатическим). Линии, изображающие процессы на диаграмме, называются адиабатами.
Кривые линии, идущие на диаграмме сверху вниз, соответствующие процессам при постоянном давлении, называют изобарами.
Кривые постоянной энтальпии (изоэнтальпии) показаны на диаграмме линиями, идущими слева направо с некоторым уклоном вниз.
Т
Т2V=const 2
Т"
Нагрев
q
Т´
Т1
Рис. 2. Изохора (V=const)
Охлаждение
Процесс V-const. Построение изохоры (рис. 2) можно осуществить из уравнения ΔS = (S2 – S1)V = 2,3СV lg(Т2/Т1). Задаваясь различными конечными температурами Т2 (а начальная температура Т1 предполагается известной), подсчитываем теплоемкость при постоянном объеме для данного рабочего тела СV в известном интервале температур величину lg (Т2/Т1) и определяем изменение энтропии ΔS = (S2 – S1)V. Наносим отдельные точки на S–Т диаграмму и соединяем их между собой. В результате получаем кривую изохорного процесса, которая является логарифмической кривой. Площадь 1-2-3-4 под кривой процесса представляет собой величину подведенного или отведенного тепла.
Процесс Р-const. Для построения изобары (рис. 3) пользуемся уравнением ΔS = (S2 – S1)Р = 2,3СР lg(Т2/Т1). Задаваясь, как и ранее, различными значениями температур Т2, находим теплоемкость СР при постоянном давлении и определяем отдельные точки процесса, по которым строим логарифмическую кривую.
Площадь 1-2-3-4 под кривой представляет собой величину подведенной теплоты при процессе расширения газа, протекающего, как известно, с ростом температуры или отведенной теплоты при процессе охлаждения газа (или выталкивании). При расширении (нагревании) ΔS увеличивается, при охлаждении (выталкивании) ΔS уменьшается.
Т Т
Т2 2V 2Р
q
1 2
Т1 1 qT
qVqP
3 4 5 3 4 S
Рис. 4. Изотерма (Т=const)
Рис. 3. К построению процессов V=const
и P=const
Изохора располагается круче изобары, т.к. при одинаковом изменении температур для обоих процессов ΔSР >ΔSV в k раз.
ΔSР = k ΔSV
Площадь, расположенная под кривой V=const (1-2V-4-3), соответствует расходу теплоты qV = СV (Т2 -Т1).
Аналогично площадь, расположенная под кривой Р=const (1-2Р-5-3), соответствует расходу теплоты qP = СР (Т2 -Т1).
Разность этих площадей, соответствующая площади, расположенной между процессами, будет равна работе газа, совершаемой в процессе
qP -qV = СР (Т2 -Т1) - СV (Т2 -Т1)=(СР –СV) (Т2 -Т1)= АR(Т2 -Т1)=АlР.
Процесс Т-const. В этом случае наиболее простыми выражениями будут:
ΔSТ = (S2 – S1)Т = 2,3 АR lg;ΔSТ = (S2 – S1)Т = 2,3 АR lg.
Эти выражения имеют одинаковую силу, так как .
На S-Т диаграмме изотерма представит собой горизонтальную линию, параллельную оси S. Площадь1-2-3-4 под кривой процесса соответствует количеству подведенной (при расширении) теплоты. С подводом тепла ΔS увеличивается. Значит, направление процесса слева направо отвечает расширению газа, а справа налево – сжатию (с отводом тепла).
Процесс Δq=0 (адиабатический). Из уравнения
ΔSq=0 = (S2 – S1)q=0 = 2,3СPlg(V1/V2)- 2,3СVlg(V1/V2)=2,3(СР–СV) lg(V1/V2)
следует, что S2 – S1=0; S2 = S1, т.е. обратимый адиабатный процесс суть изоэнтропийный процесс, протекающий при неизменном значении энтропии. Это значит, что в системе координат S-Т адиабата представит собой вертикальную линию (рис. 5). Площадь под линией процесса
Т
1
2
S
Рис. 5. Адиабата (Δq=0).
отсутствует (Δq=0).
При движении вверх имеет место повышение температуры, а это, в свою очередь, означает уменьшение объема, т.е. протекает процесс сжатия. При движении вниз будем иметь расширение. Интересно отметить, что графики термодинамических процессов, которые в диаграмме Р-V изображаются кривыми линиями (изотерма, адиабата), в S-Т диаграмме оказываются прямыми, и наоборот, те из них, которые представляются в Р-V диаграмме прямыми линиями (изобара, изохора), в S-Т диаграмме являются криволинейными.
Расширение
Сжатие
S-Т диаграмма рабочих тел дает возможность, не прибегая к сложному аналитическому расчету, легко и достаточно быстро определять требуемые параметры, а также (что значительно важнее) изображать и рассчитывать процессы и циклы различных тепловых устройств.