Презентация на тема ЛЕКЦИЯ 5 Разширяване на газ с извършена работа
Подобни презентации
Презентация на тема: "ЛЕКЦИЯ 5 Газово разширение с извършена работа. Разширители и тяхното приложение. Втечнявач на въздух на Клод. Турборазширител на Капица. Получаване на течен кислород." — Препис:
ЛЕКЦИЯ 1 5 Разширяване на газ с извършена работа. Разширители и тяхното използване. Втечнителят на въздуха на Клод. Турборазширител на Капица. Получаване на течен кислород. Втечняване на водород и хелий. Хелиеви втечняватели на Симон и Капица. Методи за втечняване на газ и конструкции на втечняватели II Практическо приложение на методите за втечняване
2 Разширяване на газ с извършена работа Когато газът е дроселиран (ефект на Джаул-Томсън), охлаждането се постига поради вътрешната работа, която газът извършва срещу силите на привличане на молекулите. Помислете за процес, при който газ действа срещу външни сили (например, бутане на бутало). По време на този процес се получава и охлаждане. Според първия закон на термодинамиката dQ = dU + dA = dU + PdV С адиабатно разширение (dQ = 0) dU = C P T = - Pdv Това означава, че газът, разширявайки се и извършвайки работа, намалява вътрешната си енергия и следователно температурата. Това заключение се отнася еднакво както за идеалните, така и за реалните газове. Причината за охлаждането на газа при извършване на външна работа е намаляването на скоростта на молекулите при удара им върху буталото, на което предават част от кинетичната си енергия.
P 1 Кривите предават "title="Разширяване на газ с извършване на работа От термодинамична гледна точка, същността на работата на хладилна машина, която използва адиабатното разширение на газовете, е ясно видима в ентропийната диаграма Sтемпература Т. Р2>gt; P 1 Кривите предават специално class="link_thumb"> 3 Разширяване на газа с извършената работа От термодинамична гледна точка, същността на работата на хладилна машина, която използва адиабатното разширение на газовете, е ясно видима в диаграмата на ентропията S спрямо температурата T. P 2> P 1 Кривите предават характеристиките на ентропията като мярка за безпорядък: безпорядък и ентропията е по-голяма, колкото по-висока е температурата, и колкото по-малко, толкова по-високо е налягането 1. От термично компресиране на газа в компресора (топлината на компресията се отстранява в топлообменника) P 2> P 1 T 1 = const 2. Адиабатно разширение S = const Увеличаването на ентропията, причинено от разширението, се компенсира от намаляването му поради охлаждане Устройството, в което adiaba тичното разширение на газа се нарича разширител. P 1 Кривите предават характеристиките на ентропията като мярка за безпорядък: безпорядъкът и ентропията са по-големи, колкото по-висока е температурата, и колкото по-малки, толкова по-високо е налягането. 1. Изотермично компресиране на газа в компресора (топлината от компресията се отстранява в топлообменника) P 2>gt; P 1 T 1 = const 2. Адиабатно разширение S = const Увеличението на ентропията, причинено от разширението, се компенсира от нейното намаляване поради охлаждане. Устройство, в което се получава адиабатно разширение на газ, се нарича разширител. Отстраняване на топлината на компресия"> P 1 Кривите предават oco" title="Разширяване на газ с извършване на работа
4 Втечнявач на въздух на Клод Първото използване на разширители е през 1902 г. машината на Клод (Франция) за втечняване на въздух. Често служи разширение в разширителсамо за предварително охлаждане на свиваемия газ до възможно най-ниската температура (под критичната). Самото охлаждане се осъществява чрез дроселиране на вече охладения газ. 1. Въздухът се компресира (топлината на компресията се отстранява от вода) P 1 \u003d 1 at, P 2 \u003d 40 at. 2. Сгъстеният въздух преминава през t / o E 1 и се разделя на два потока
80% отиват към разширителя и
20% в следващия t/o E От разширителя охладеният газ се връща към t/o E 2, охлаждайки противоположната част от газа. 4. Охладен в t / o E 3, газът се втечнява с помощта на дросел в колекцията. Използването на адиабатно газово разширение в разширителя позволява да се откаже от предварителното охлаждане с водород в хелиевите втечняватели. Това значително подобрява безопасността на процеса. Има разширители - бутало (Клод) - турбина (Капица)
5 Claude втечняващ въздух C - компресор A - хладилник B - сушилня E - главен топлообменник L - кондензатор F - 2-степенен разширител D - колектор 1 - компресор 2 - разширител 3 - дросел 4 - колектор E1, E2, E3 - топлообменници
6 Турборазширител на Капица През 1938 г. Капица предлага да се използва турбина като разширител. За работа с бутален разширител са необходими налягания от 200 atm, с турбо разширител - 6 atm. Турборазширителят има неподвижна водеща лопатка, разположена по периферията, и въртящо се работно колело, разположено вътре в нея. В направляващата лопатка по периферията са разположени дюзи, разширяващи се, в които потокът на работното вещество се ускорява и придобива определена скорост. Налягането на газа намалява от P1 до Pm. Капица промени дизайна - в неговия разширител въздухът се разширява не само в дюзите, но и върху лопатките. ефективност се увеличава от 0,5 на 0,8. Попадайки върху лопатките на работното колело, газът го върти, отделя енергия и охлажда. Натискът му обаченамалява от Pm до P2. Отработените газове се изпускат през тръба, разположена в центъра на колелото. Схема на газовите потоци и разпределение на налягането в активния (а) и активно-реактивния (б) турборазширители. 1 - направляващ апарат; 2 - работно колело.
7 Производство на течен кислород Въздухът се компресира в турбокомпресор до 6 бара и след това се охлажда в топлообменник-регенератор и втечнител, след което част от въздуха се изпраща за дестилация в дестилационен апарат за получаване на концентриран кислород. Останалата част от сгъстения въздух се подава към разширителя в турборазширителя на Капица до 1,3 бара, където се охлажда и се връща обратно във втечнителя и топлообменника-регенератор за охлаждане на постъпващия сгъстен въздух. Разпръскването на течен въздух се извършва при налягане 1,3 бара. Концентрираният кислород се оттича от дъното на дестилационния апарат
9 DEWAR HYDROGEN LIQUIZER 1 – компресиран водород; 2 – вход за газообразен водород; 3 - управление на дросела; 4 – изход на газообразен водород; 5 - течен водород; 6 - дросел; 7 - течен въздух; Т бала
90 K 8 - въглероден диоксид. Т бала
10 Дроселни втечнявачи на водород и хелий H 2 T i = 204 K T k = 33,2 K P k = 13 atm 4 He T i
40K Tk = 5.21K Pk = 2.26 atm
11 Втечнявач на хелий на Саймън 1. Хелий при налягане около 150 atm се подава в съд А, който се охлажда първо с течен азот (5), а след това с течен водород, излят в резервоар В. (6) - вакуумна риза; (1) - изпомпване на ризата. 2. Налягането на водорода се намалява чрез изпомпването му (2). Температурите в съдовете А и В се понижават до
10 K. При тази температура водородът е в твърдо състояние и налягането на парите му е 1,7 mm Hg. Изкуство. В същото време, за да се установи термично равновесие между твърдия водород исъд Б отнема доста дълго време. 3. Затворете вентил V1 и спрете по-нататъшното подаване на топъл хелий. В съд B се достига минималната температура. 4. Отворете клапан V2, позволявайки на сгъстения хелий да излезе. Когато налягането в съд А се намали до атмосферно, той е почти изцяло пълен с течен хелий. Хелият се втечнява поради изоентропичното разширение на хелия, оставащ в съд А, което върши работата по изтласкване на останалия хелий по същия начин, както ако върши работата по изтласкване на буталото. Липсата на значително триене прави процеса близък до изоентропичен.
12 Хелиев втечнител на Капица 1 - бутален компресор 2, 4, 6, 7 - топлообменници 3 - баня с течен азот 5 - бутален разширител 8 - дросел 9 - колектор на течен хелий 10 - вентил за изпускане на хелий През 1934 г. П. Л. Капица предлага и на практика прилага втечнявач на хелий без течен водород. Предварителното охлаждане се извършва в разширителна машина - бутален разширител. Това направи дизайна по-сигурен. Най-големите трудности бяха свързани със създаването на разширител, чието бутало трябва да се движи в цилиндъра при ниска температура (около 15 K) без триене и без големи изтичания на разширяващия се газ. Лубриканти не трябваше да се използват. Използвано е уплътнение на буталото с празнина (малка хлабина между буталото и цилиндъра).
13 Турборазширител на Капица В турборазширителя, както при всички центростремителни турбини (както парни, така и водни), има неподвижна направляваща лопатка, разположена по периферията, и въртящо се работно колело, разположено вътре в нея. В направляващата лопатка по периферията са разположени дюзи, разширяващи се, в които потокът на работния флуид се ускорява и придобива определена скорост. Попадайки върху лопатките на колелото, работната течност го върти,освобождаване на енергия и охлаждане. Отработената работна течност се изхвърля през разклонителна тръба, разположена в центъра на колелото. В направляващата лопатка налягането на газа намалява от P1 до Pm и газът придобива определена скорост. Попадайки върху лопатките на работното колело, газът го върти, отделяйки енергия; в същото време налягането му намалява от Pm до P2.При активен турборазширител почти цялата разлика в налягането се изчерпва в дюзите на направляващата лопатка, където газът се ускорява до скоростта на звука. Газовите струи на късите лопатки на работното колело променят посоката си и кинетичната енергия на газа се превръща в работа. В активно-струйния турборазширител газът се ускорява в направляващата лопатка до много по-ниска скорост, отколкото в активния, и работата се извършва не само в резултат на промяна в посоката на газовия поток, но и под действието на струйната реакция в дългите канали на работното колело (c). Следователно основните загуби - хидравлични, свързани със скоростта на газа, в активно-струен турбодетандер са с 25-30% по-малко, отколкото в активен.
14 Турборазширител Капица До 1938 г. за производство на течен въздух са използвани само бутални разширители. По същество такъв разширител е аналог на парна машина, само че не работи с пара, а със сгъстен въздух. За да се получи течен въздух с помощта на такива разширители, бяха необходими налягания от порядъка на 200 atm и по неизбежни технически причини налягането не беше еднакво на различните етапи от процеса: от 45 до 200 atm. Ефективността на инсталацията беше малко по-висока от тази на парната машина. Инсталацията се оказа сложна, тромава, скъпа. В края на 30-те години P.L. Капица предложи да се използва турбина като разширител. Идеята не е нова, изразена е от J. Rayleigh в края на 19 век, но ефективността "пред-Капицин" турбини за втечняване на въздуха беше ниска. Следователно, малки турборазширителивършеха само някаква спомагателна работа с бутални разширители. Капица създава нов дизайн, който според изобретателя е "като компромис между водна и парна турбина". Основната характеристика на турборазширителя на Капица е, че въздухът в него се разширява не само в апарата на дюзата, но и върху лопатките на работното колело. В този случай газът се движи от периферията на колелото към центъра, действайки срещу центробежните сили. Този дизайн на турбината позволи да се увеличи ефективността. настройки от 0,5 до 0,8. И освен това турборазширителят "прави" студа с помощта на въздух, компресиран само до няколко атмосфери. Очевидно 6 атм. много по-лесно и по-евтино се получава от 200. Важно за икономиката е също, че енергията, отделена от разширяващия се въздух, не се губи, тя се използва за въртене на ротора на генератор на електрически ток.