Системы ожижения газов
В технических системах ожижения для получения низких температур используется внутреннее охлаждение рабочего газа. Записывая закон сохранения энергии в термодинамической форме
(2)
видим, что изменить внутреннюю энергию газа мы можем за счет термодинамического (термодеформационного) воздействия. Если член TdS относится (соответствует) внешнему охлаждению, то член pd - к внутреннему.
Дросселирование
газа – это первый способ получения
низких температур реализацией процесса
внутреннего охлаждения. Понижение
температуры газа при его адиабатном
дросселировании (т.е. при
)
называется эффектом Джоуля-Томсона,
который определяется как
.
А предельный эффект внутреннего
охлаждения определяется как
.
Но адиабатное дросселирование всегда
сопровождается возрастанием энтропии.
Эти характеристики связаны между собой
следующей зависимостью
.
(3)
В определенных условиях, характерных для низкотемпературной области, эффект охлаждения, получаемый посредством дросселирования, может достигать величин, делающих его использование чрезвычайно выгодным, в связи с чем этот процесс служит основным методом внутреннего охлаждения во многих эффективных холодильных и криогенных системах.
Система Линде. В этой системе для ожижения газа применяется дроссельный способ, т.е. реализуется эффект Джоуля-Томсона. На рис. 3 (а и б) представлены схема системы Линде и цикл, по которому работает эта система.
Газ изотермически (отвод тепла в окружающую среду) сжимается в процессе 1-2, далее газ охлаждается в изобарическом теплообменнике (процесс 2-3) и в состоянии 3 подается к дроссельному вентилю 4, где и реализуется процесс внутреннего охлаждения 3-4 при постоянной энтальпии, переводящий газ в двухфазную область f-q. В этом случае часть рабочего газа ожижается (f-состояние), а часть в состоянии насыщенного газа (g-состояние) подается в теплообменник (это использование вторичного ресурса), потом на вход компрессора совместно с подпиточным потоком рабочего газа.
Системы ожижения по схеме Линде разнообразны в своем исполнении: каскадные схемы, схемы с предварительным охлаждением и другие.
Вторым методом
достижения низких температур является
адиабатное расширение рабочего газа,
т.е. тепло отводится от газа за счет
работы, им производимой в расширительной
машине (поршневой или турбинной системе)
– детандере, т.е. с минимумом потерь. В
этом случае эффект внутреннего охлаждения
выражается как
.
Видно (см. выражение 3), что детандирование
более эффективное средство снижения
температуры газа, чем дросселивание:
процесс, реализованный между двумя
заданными давлениями, в случае
изоэнтропийного расширения приводит
к достижению более низкой температуры,
чем изоэнтальпийное (см. рис. 1)
Система Капицы. В этой системе общий поток газа делится на два потока. Для охлаждения и ожижения одного потока газа используется детандер, а для ожижения другого подготовленного к этому процессу потока газа - дроссель.
На рис. 4 (а и б) представлена схема детандерной системы Капицы и цикл, по которому работает эта система.
Газ изотермически сжимается (процесс 1-2), охлаждается по изобаре, на учстке 3 часть газа отбирается в турбодетандер, где расширяется, совершая работу, и переводится в двухфазную область. Второй поток – дросселируется (процесс 5-6).
Для ожижения природного газа используются каскадные схемы. Пример каскадной схемы для ожижения азота представлен на рис. 5. В этой схеме используются три независимых контура для обеспечения охлаждения газа перед дросселированием. Каскадная схема реализована в «НИЦ РКП» на водородном экспериментальном производстве (ВЭП-609). Там перед процессом дросселирования организованы два контура охлаждения: аммиачный и азотный.