- •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
Тема № 5. Ректификация. Лекция № 1. Процессы испарения и конденсации. Учебный вопрос № 1. Общая характеристика процессов испарения и конденсации
Процессы низкотемпературного охлаждения широко используются в технике разделения газовых смесей, а также для очистки газов. Кислород, азот, неон, аргон, криптон и ксенон получаются низкотемпературной ректификацией жидкого воздуха.
Большинство разделяемых газовых смесей содержит значительное количество компонентов. Воздух, как известно, представляет сложную смесь состава, указанного в табл. 1.
Таблица 1
Газ |
Содержание по объему, % |
Газ |
Содержание по объему, % |
Азот |
78,084 |
Гелий |
5,239 · 10-4 |
Кислород |
20,946 |
Криптон |
1,14 · 10-4 |
Аргон |
0,934 |
Водород |
0,5 · 10-4 |
Двуокись кислорода |
0,033 |
Ксенон |
0,086 · 10-4 |
Неон |
1,818 · 10-3 |
Озон |
0,01 · 10-4 |
Основными компонентами, входящими в состав воздуха, являются азот и кислород. Поэтому для упрощения расчетов иногда рассматривают воздух как бинарную смесь, состоящую из 79,1 объемных % азота и 20,9 объемных % кислорода (в установках для получения кислорода с содержанием менее 96 %).
Неон, гелий, криптон и ксенон не влияют на процесс ректификации в связи с очень малым содержанием их в воздухе и со значительным отличием их температур кипения от температуры кипения основных компонентов – азота и кислорода. Количество этих редких газов учитывается лишь в том случае, когда их извлекают из воздуха. Аргон же, несмотря на его небольшое содержание, значительно влияет на процесс ректификации воздуха. Объясняется это тем, что точка кипения аргона (87,29 ºК) лежит между точками кипения азота (77,36 ºК) и кислорода (90,19 ºК). Поэтому при расчетах процесса ректификации с получением чистого кислорода воздух следует рассматривать как тройную смесь, состоящую из 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона и 78,12 % азота.
Процесс парообразования, который происходит не только со свободной поверхности жидкости, но и внутри её, называется кипением.
Кипение жидкости наступает в том случае, когда температура всей жидкости одинаково, а давление насыщенного пара этой жидкости равно внешнему давлению на ее поверхности.
Температура, при которой давление насыщающего пара жидкости равно внешнему давлению на её поверхности, называется температурой кипения жидкости. Температура кипения однородной жидкости постоянна и зависит только от давления.
Температура кипения смеси при определенном значении давления зависит от концентрации, чем больше вещества с низкой температурой в смеси, тем ниже температура ее кипения.
Вся энергия, получаемая жидкостью от нагревателя в процессе кипения, затрачивается на превращение жидкой фазы вещества в газообразную (Т=const). Количество тепла, которое необходимо подвести для испарения 1 кг жидкости, называется скрытой теплотой парообразования.
Процесс превращения газа (пара) в жидкое состояние называется конденсацией. Конденсация газа (пара) наступает в результате его охлаждения до температур ниже критических. Температура конденсации чистых газов постоянна и зависит только от давления.
Температура конденсации смеси при определенном давлении зависит от состава газа, чем больше в смеси веществ с низкой температурой, тем ниже температура конденсации.
При кипении жидкого воздуха без отвода пара в первую очередь из него будет испаряться азот, имеющий более низкую температуру кипения. Вместе с азотом будут испаряться и кислород, но в меньшей степени. Процесс испарения будет протекать до тех пор, пока не наступит при данном давлении и температуре равновесное состояние между паром и жидкостью.
Скрытая теплота испарения (парообразования) обозначается символом r и равна для кислорода 50,9 ккал/кг или 213,2 кДж/кг, для азота – 47,6 ккал/кг или 199,2 кДж/кг, для воздуха – 49,0 ккал/кг или 205,4 кДж/кг.
Конденсация воздуха при нормальном атмосферном давлении начинается при температуре –191,8ºС (81,2 К) и заканчивается при температуре –193,7ºС (79,3 К), так как воздух представляет собой, в основном, смесь азота и кислорода, температуры сжижения которых различны. Вначале сжижается воздух по компонентам, т.е. первым сжижается кислород, а затем азот. Кислород сжижается в больших количествах, чем азот, поскольку температура его сжижения более высокая. Поэтому температура сжижения воздуха вначале процесса будет выше. К концу сжижения происходит конденсация, в основном, азота, который имеет более низкую температуру сжижения, а поэтому температура сжижения воздуха тоже понижается.
Кривая зависимости температуры начала сжижения воздуха от давления представлена на рис. 1.
Т
133
78
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8
Рис. 1. Зависимость температуры начала сжижения воздуха от давления
При критическом давлении и критической температуре теплота конденсации равна нулю. Критические параметры для кислорода, азота и воздуха даны в табл. 2.
Таблица 2
Газ |
Критические температуры |
Критические давления | |||
ºС |
ºК |
кгс/см2 |
Н/м2 | ||
Кислород |
-118,8 |
154,2 |
49,71 |
48,7·10-5 | |
Азот |
-146,9 |
126,1 |
33,54 |
32,9·10-5 | |
Воздух |
-140,7 |
132,3 |
37,2 |
36,5·10-5 |
Если жидкость состоит только из одного вещества, то и пары над нею будут содержать только это вещество, например, пары воды над водой, пары спирта над спиртом, кислород над чистым жидким кислородом и т.п.
Явление усложняется, когда жидкость состоит из двух и более веществ с разными температурами кипения, способных растворяться одно в другом. В этом случае в паре содержатся те же вещества, что и в жидкости, однако состав его отличается от состава жидкости. Например, в смеси воды и спирта последний более летуч и кипит при более низкой температуре, чем вода. Поэтому при нагревании смеси спирт быстрее испаряется, и в паре над жидкостью будет содержаться спирта больше, чем в жидкости.
При заданных давлениях и температуре и установившемся тепловом равновесии между жидкостью и паром состав пара над жидкостью является совершенно определенным и зависит только от состава жидкости. В этом случае говорят, что пар и жидкость находятся в равновесном состоянии. Нарушение этого равновесия вызывают соответствующие изменения состава жидкой и паровой фаз.
Аналогичные явления происходят при разделении воздуха на кислород и азот. В процессе нагревания без отвода паров жидкого воздуха из него в первую очередь испаряется азот, который имеет более низкую температуру кипения и поэтому составляет более летучую часть жидкого воздуха. Наряду с азотом, но в меньшей степени, из жидкого воздуха будет испаряться больше кислорода, чем в паре, а в паре больше азота, чем в жидкости. Другими словами, азот, как более летучая часть жидкости, переходит в пар в большем количестве, чем кислород, который остается преимущественно в жидкости. Такой переход азота в пар и кислорода в жидкость происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние между жидкостью и паром, соответствующее их температуре и давлению.