Презентація на тему ЛЕКЦІЯ 5 Розширення газу з роботою
Подібні презентації
Презентація на тему: " ЛЕКЦІЯ 5 Розширення газу з виконанням роботи. Детандери та їх використання. Обріджувач повітря Клоду. Турбодетандер Капиці. Отримання рідкого кисню." - Транскрипт:
1 ЛЕКЦІЯ 5 Розширення газу з виконанням роботи. Детандери та їх використання. Обріджувач повітря Клода. Турбодетандер Капіци. Одержання рідкого кисню. Зрідження водню та гелію. Гелієві мешканці Симона та Капиці. Методи зрідження газів та конструкції зріджувачів II Практична реалізація методів зрідження
2 Розширення газу з виконанням роботи При дроселюванні газу (ефект Джоуля-Томсона) охолодження досягається за рахунок внутрішньої роботи, яку здійснює газ проти сил тяжіння молекул. Розглянемо процес, у якому газ здійснює роботу проти зовнішніх сил (наприклад, штовхаючи поршень). За такого процесу також відбувається охолодження. Відповідно до першого початку термодинаміки dQ = dU + dA = dU + PdV При адіабатичному розширенні (dQ = 0) dU = C P T = - Pdv Це означає, що газ, розширюючись і виконуючи при цьому роботу, зменшує свою внутрішню енергію, а, отже, і температуру. Цей висновок однаковою мірою відноситься до ідеальних і реальних газів. Причиною охолодження газу при виконанні ним зовнішньої роботи є зменшення швидкості молекул при їх ударах про поршень, якому вони передають частину своєї кінетичної енергії.
P 1 Криві передають осо" title="Розширення газу з виконанням роботи З термодинамічної точки зору суть роботи холодильної машини, яка використовує адіабатичне розширення газів, добре видно на діаграмі залежності ентропії Sвід температури T. P 2 & gt; P 1 Криві передають осо" class="link_thumb"> 3 Розширення газу з виконанням роботи З термодинамічної точки зору суть роботи холодильної машини, яка використовує адіабатичне розширення газів, добре видно на діаграмі залежності ентропії S від температури T. P 2 > 1 Криві передають особливості ентропії як заходи безладу: безлад і ентропія тим більша, чим вища температура, і тим менше, чим вищий тиск 1. Ізотермічний стиск газу в компресорі (теплота стиснення відводиться в теплообміннику) P 2 P 1 Т 1 = const 2. Адіабатичне розширення S = const Зростання ентропії, викликане розширенням, як би компенсується зменшенням її за рахунок охолодження. Пристрій, в якому відбувається адіабатичне розширення газу, називається детандером. P 1 Криві передають особливості ентропії як заходи безладу: безладдя та ентропія тим більша, чим вища температура, і тим менше, чим вищий тиск. 1. Ізотермічний стиск газу в компресорі (теплота стиснення відводиться в теплообміннику) P 2 & gt; P 1 Т 1 = const 2. Адіабатичне розширення S = const Зростання ентропії, викликане розширенням, компенсується зменшенням її за рахунок охолодження. Пристрій, в якому відбувається адіабатичне розширення газу, називається детандер. Відбір теплоти стиснення"> P 1 Криві передають осо" title="Розширення газу з виконанням роботи З термодинамічної точки зору суть роботи холодильної машини, яка використовує адіабатичне розширення газів, добре видно на діаграмі залежності ентропії S від температури T. P 2 > P 1 Криві передають осо">
4 Зріджувач повітря Клода Перше застосування детандерів – 1902 р. машина Клода (Франція) для зрідження повітря. Розширення в детандер часто служитьлише попереднього охолодження стисливого газу до можливо нижчої температури (нижче критичної). Саме ж охолодження здійснюється за допомогою дроселювання вже охолодженого газу. 1. Повітря стискається (теплота стиснення відводиться водою) Р 1 = 1 ат, Р 2 = 40 ат. 2. Стиснене повітря проходить через т/о Е 1 і поділяється на два потоки
80% йде в детандер та
20% в наступний т/о Е З детандер охолоджений газ повертається в т/о Е 2, охолоджуючи зустрічну порцію газу. 4. Охолоджений у т/о Е 3 газ за допомогою дроселя зріджується до збірки. Використання адіабатичного розширення газу в детандер дозволяє відмовитися від попереднього охолодження воднем в гелієвих жижителях. Це значно покращує безпеку процесу. Детандери бувають - поршневі (Клод) - турбінні (Капіца)
5 Зріджувач повітря Клода C – компресор А – холодильник В – осушувач Е – головний теплообмінник L – конденсатор F – 2-ступінчастий детандер D - збірник 1 - компресор 2 - детандер 3 - дросель 4 - збірник Е1, Е2, Е3 - теплообмінники
6 Турбодетандер Капіци У 1938 р. Капіца запропонував використовувати як детандер турбіну. Для роботи з поршневим детандером потрібні тиску 200 атм, з турбодетандером – 6 атм. У турбодетандері є розташований по периферії нерухомий напрямний апарат і поміщене всередині нього робоче колесо, що обертається. У напрямному апараті по колу розташовані сопла, розширюючись в яких потік робочої речовини розганяється і набуває певної швидкості. Тиск газу знижується з P1 до Рm. Капиця змінила конструкцію – у його детандері повітря розширюється не тільки в соплах, а й на лопатках. К.п.д. підвищився з 0,5 до 0,8. Потрапляючи на лопатки робочого колеса, газ обертає його, віддаючи енергію та охолоджуючись. При цьому його тискзнижується з Pm до P2. Газ, що відпрацював, випускається через патрубок, розташований в центрі колеса. Схема руху потоків газу та розподілу тиску в активному (а) та активно-реактивному (б) турбодетандерах. 1 - напрямний апарат; 2 – робоче колесо.
7 Отримання рідкого кисню Повітря стискається в турбокомпресорі до 6 бар і далі охолоджується в теплообміннику-регенераторі та жижі, після чого частина повітря прямує на розгін в ректифікаційний апарат для отримання концентрованого кисню. Решта стисненого повітря надходить на розширення в турбодетандері Капиці до 1,3 бар, де охолоджується і йде у зворотному напрямку в ожижитель і теплообмінник-регенератор для охолодження стисненого повітря, що надходить. Розгін рідкого повітря ведеться при тиску 1,3 бар. Концентрований кисень зливається з нижньої частини апарату ректифікації
9 ВОДОРОДНИЙ ЗАЖИВАЧ ДЬЮАРА 1 – стислий водень; 2 – вхід газоподібного водню; 3 - управління дроселем; 4 – вихід газоподібного водню; 5 – рідкий водень; 6 – дросель; 7 – рідке повітря; Т кіп
90 K 8 – вуглекислота. Т кіп
10 Дросельні зріджувачі водню та гелію H 2 T i = 204K T k = 33.2K P k = 13 атм 4 He T i
40K T k = 5.21K P k = 2.26 атм
11 Гелієвий жижитель Симона 1. Гелій під тиском близько 150 атм подається в посудину А, який охолоджується спочатку рідким азотом (5), а потім рідким воднем, що заливається в резервуар В. (6) - вакуумна сорочка; (1) – відкачування сорочки. 2. Тиск водню знижують шляхом його відкачування (2). Температури в судинах А та В зменшуються до
10 К. За цієї температури водень перебуває у твердому стані, яке тиск пари дорівнює 1,7 мм рт. ст. При цьому для встановлення теплової рівноваги між твердим воднем тасудиною потрібно досить великий час. 3. Закривають вентиль V1 та припиняють подальшу подачу теплого гелію. У посудині досягається мінімальна температура. 4. Відкривають вентиль V2, даючи вихід стислому гелію. Коли тиск у посудині А знижується до атмосферного, він виявляється майже повністю заповненим рідким гелієм. Зрідження гелію відбувається за рахунок ізоентропічного розширення гелію, що залишився в посудині, який виконує роботу з виштовхування решти гелію також, як би він виконував роботу з штовхання поршня. Відсутність значного тертя робить процес близьким до ізоентропічного.
12 Гелієвий жижитель Капиці 1 – поршневий компресор 2, 4, 6, 7 – теплообмінники 3 – ванна з рідким азотом 5 – поршневий детандер 8 – дросель 9 – збірка рідкого гелію 10 – клапан зливу гелію У 1934 р. П. та практично здійснив гелієвий ожижитель без рідкого водню. Попереднє охолодження здійснюється у розширювальній машині – поршневому детандері. Це зробило конструкцію безпечнішою. Найбільші труднощі були пов'язані зі створенням детандера, поршень якого повинен переміщатися в циліндрі при низькій температурі (близько 15 К) без тертя і без великих витоків газу, що розширюється. Мастила застосовувати було не можна. Було використано щілинне ущільнення поршня (малий проміжок між поршнем і циліндром).
13 Турбодетандер Капіци У турбодетандері, як і у всіх доцентрових турбінах (і парових, і водяних), є розташований по периферії нерухомий напрямний апарат і поміщене всередині нього обертове робоче колесо. У напрямному апараті по колу розташовані сопла, розширюючись в яких потік робочого тіла розганяється і набуває певної швидкості. Потрапляючи на лопатки колеса, робоче тіло обертає його,віддаючи енергію та охолоджуючись. Робоче тіло, що відпрацювало, випускається через патрубок, розташований в центрі колеса. У напрямному апараті тиск газу знижується з P1 до Рm, і газ набуває певної швидкості. Потрапляючи на лопатки робочого колеса, газ обертає його, віддаючи енергію; при цьому його тиск знижується з Pm до P2. В активному турбодетандері практично весь перепад тиску спрацьовується в соплах направляючого апарату, де газ розганяється до швидкості звуку. Струмені газу на коротких лопатках робочого колеса змінюють напрямок, і кінетична енергія газу перетворюється на роботу. В активно-реактивному турбодетандері газ розганяється в напрямному апараті до значно меншої швидкості, ніж активному, а робота відбувається у результаті зміни напрями потоку газу, а й під впливом реакції струменя в довгих каналах робочого колеса (в). Тому основні втрати - гідравлічні, пов'язані зі швидкістю газу, в активно-реактивному турбодетандері на 25-30% менше, ніж в активному.
14 Турбодетандер Капіци До 1938 р. для отримання рідкого повітря користувалися лише поршневими детандерами. По суті такий детандер – це аналог парової машини, тільки працює в ньому не пара, а стиснене повітря. Щоб отримати рідке повітря за допомогою таких детандерів, були потрібні тиску близько 200 атм., причому з неминучих технічних причин на різних стадіях процесу тиск був не однаковим: від 45 до 200 атм. ККД установки був трохи вище, ніж у парової машини. Установка вийшла складною, громіздкою, дорогою. Наприкінці 30-х П.Л. Капіца запропонував використовувати як детандер турбіну. Ідея - не нова, її ще наприкінці XIX століття висловлював Дж. Релей, але к.п.д. «Докапіцинських» турбін для зрідження повітря був невисокий. Тому невеликі турбодетандерилише виконували деяку підсобну роботу при поршневих детандерах. Капіца створив нову конструкцію, яка, за словами винахідника, була «ніби компромісом між водяною та паровою турбіною». Головна особливість турбодетандера Капіци в тому, що повітря в ній розширюється не лише в сопловому апараті, а й на лопатках робочого колеса. При цьому газ рухається від периферії колеса до центру, працюючи проти відцентрових сил. Така конструкція турбіни дозволила підняти к.п.д. установки з 05 до 08. І, крім того, турбодетандер «робить» холод за допомогою повітря, стисненого лише до кількох атмосфер. Очевидно, що 6 атм. отримати набагато простіше і дешевше, ніж 200. Важливо для економіки і те, що енергія, яку віддає повітря, що розширюється, не пропадає даремно, вона використовується для обертання ротора генератора електричного струму.