В воздухосжижительных установках основные процессы для получения низких температур

Дросселирование – это адиабатное расширение газа в условиях стационарного течения без совершения внешней работы и приращения скорости. Практически, это течение газа через какое-либо гидравлическое сопротивление – дроссельный вентиль, заслонку, жиклер, капилляр и т.п.

Поскольку не происходит энергообмена с окружающей средой, то процесс протекает при неизменной энтальпии: i 1 = i 2 = const.

В зависимости от природы газа и параметров проведения процесса температура газа Т может меняться по-разному:

- понижаться – < 0, т.е. T 2< T 1;

- повышаться – d T >0, т.е. Т 2> Т 1;

- оставаться неизменной – d Т = 0, т.е. Т 2 = Т 1.

Это явление носит название дроссель-эффекта Джоуля-Томсона в честь британских физиков, исследовавших это явление.

Различают дифференциальный, интегральный и изотермный дроссель-эффекты Джоуля-Томсона.

Дифференциальный дроссель-эффект a i, это отношение бесконечно малого изменения температуры газа к бесконечно малому изменению давления при i = const:

. (2.1)

Здесь ¶ Р < 0 – всегда, так как Р 2 < Р 1. Тогда при понижении температуры, т.е. при Т 2< Т 1: ¶ Т> 0 и, следовательно, a i > 0. Это положительный дроссель-эффект.

Интегральный дроссель-эффект D Ti показывает суммарное изменение температуры при конечном перепаде давлений Δ Рi (при i= const):

. (2.2)

Изотермный эффект дросселирования представляет собой разность теплосодержаний сжатого (до дросселирования) и расширенного газа при одной и той же температуре – Δ iT. Это очень важная величина в расчетах криогенных установок.

Между изотермным и интегральным эффектами Джоуля-Томсона существует зависимость:

, (2.3)

где ср – средняя изобарная теплоемкость воздуха в интервале изменения температур при дросселировании.

Один и тот же газ при различных начальных температурах может иметь различный дроссель-эффект. Рассмотрим это на примере расширения воздуха (t, s -диаграмма на рис. 2.1).

Рис. 2.1. Отображение процессов дросселирования воздуха на T, s -диаграмме

Воздух дросселируется от начальных параметров Р 1 и Т 1 (точка 1) до давления Р 2. Конечное состояние отображается точкой 2. Она лежит на пересечении изобары Р 2 и изоэнтальпы i 1-2. Видно, что Т 2< Т 1, т.е. газ охлаждается. Это наблюдается в том случае, если линии i = const имеют падающий характер со снижением давления.

Эти линии имеют максимумы, которые с повышением температуры смещаются в сторону низких давлений. При этом максимумы становятся менее выраженными и при какой-то температуре исчезают совсем. Эта температура называется температурой инверсии.

Линия, соединяющая максимумы изоэнтальп, называется инверсионной кривой. Инверсионная кривая делит диаграмму на две области. В правой области дросселирование приводит к охлаждению воздуха (процессы 1-2, 1'-2', 7-8). В левой – к нагреву (начало процесса 1"-2"). К нагреву ведет и процесс дросселирования, если начальная температура газа выше Т инв (процесс 5-6).

У водорода и гелия Т инв значительно ниже температуры окружающей среды, поэтому дросселирование этих газов при Т о.с приводит к их нагреву и не может быть использовано для понижения температуры.

Из диаграммы видно, что дроссель-эффект Δ Ti будет максимальным, если начальное давление дросселирования лежит на кривой инверсии. Для воздуха с температурой Т о.с это давление составляет примерно 42 МПа. Дальнейшее повышение давления приводит к понижению охлаждающего эффекта (см. процессы 1-2, 1'-2', 1"-2", проведенные при одной и той же начальной температуре).

На практике, при дросселировании воздуха с начальной температурой Т о.с и давлениях Р 1 = 20 МПа и Р 2 = 0,1 МПа, эффект охлаждения составляет примерно 30°.

Максимальный эффект охлаждения для любого газа достигается при дросселировании в области влажного пара и вблизи критической точки.

http://studopedia.ru/2_96004_rasshirenie-gaza-v-detandere.html

Наиболее эффективным способом получения низких температур был бы изоэнтропный процесс расширения газа. Это процесс расширения с совершением работы при отсутствии теплообмена с окружающей средой и при отсутствии какого-либо трения (т.е. процесс для идеального газа).

На диаграмме (см. рис. 2.2) этот процесс изображается вертикальной линиией 1-2ад (s = const).

 

 

Рис. 2.2. Сравнение эффектов охлаждения воздуха при различных видах его расширения:

1-2ад – изоэнтропный процесс;

1-2 – расширение в детандере;

1-3 – дросселирование

В таком процессе начальные и конечные параметры газа связаны уравнением адиабаты:

, (2.4)

где k = 1,4 – показатель адиабаты для воздуха.

Отсюда конечный эффект понижения температуры можно вычислить:

В реальных условиях изоэнтропный процесс расширения реализовать нельзя, так как газ обладает вязкостью и всегда присутствует трение. Нельзя также избежать теплопритока. Поэтому реальные процессы идут с меньшим эффектом охлаждения Δ Т дт и с увеличением энтропии – процесс 1-2.

Величина эффекта охлаждения будет зависеть от КПД детандера – механизма, в котором производится расширение газа с целью его охлаждения. Значение внутреннего относительного КПД, достаточно точно для практических расчетов, может быть вычислено по соотношению

(2.6)

На практике применяют поршневые детандеры и турбодетандеры. Поршневые машины имеют ряд преимуществ перед турбодетандерами:

а) широкий диапазон начальных значений температур и давлений, особенно при высоких давлениях и малых производительностях;

б) хорошо регулируются, просты в эксплуатации;

в) имеют более высокий КПД - hпд =0,7-0,85.

К недостаткам поршневых детандеров следует отнести:

а) меньший ресурс и надежность;

б) хуже массовые и габаритные характеристики на единицу производительности.

Турбодетандеры (ТД) применяют в средних и крупных криогенных установках. Это газовые турбины, как правило, радиального типа – центробежные или центростремительные. Более эффективны центростремительные ТД (движение газа от периферии к центру), особенно небольших размеров.

Наиболее эффективны турбодетандеры конструкции П.Л. Капицы, созданные им в 1938 г. (КПД > 0,8). В настоящее время КПД крупных ТД с диаметром рабочего колеса 200-250 мм достигают значений 0,85-0,9.

В меньших ТД: при D р.к = 100-200 мм, КПД составляет 0,85-0,9;

при D р.к = 30-100 мм – 0,6-0,7;

при D р.к = 10-30 мм – 0,3-0,4.

Основная трудность – в создании надежной теплоизоляции. Нужны хладостойкие материалы, так как обороты ротора велики. Нужны специальные опоры с газовой смазкой. Каналы проточной части должны выполняться очень тщательно.

Срабатываемые перепады давлений невелики, так как они ограничены скоростями потоков и числом ступеней. Поэтому ТД применяются, как правило, в установках средних и низких давлений.