2. Термодинамические основы сжижения газов

2.1. Основные процессы для получения низких температур в воздухосжижительных установках

2.1.1. Дросселирование

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: i₁ = i₂ = const.

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

- понижаться –  0, т.е. T₂T₁;

- повышаться – T  0, т.е. Т₂Т₁;

- оставаться неизменной – Т = 0, т.е. Т₂ = Т₁.

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 _i, это отношение бесконечно малого изменения температуры газа к бесконечно малому изменению давления при i = const:

. (2.1)

Здесь Р 0 – всегда, так как Р₂  Р₁. Тогда при понижении температуры, т.е. при Т₂ Т₁: Т 0 и, следовательно, _i 0. Это положительный дроссель-эффект.

Интегральный дроссель-эффект T_i показывает суммарное изменение температуры при конечном перепаде давлений Р_i (при i= const):

. (2.2)

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

Между изотермным и интегральным эффектами Джоуля-Томсона существует зависимость:

, (2.3)

где с_р – 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 Р₁ и Т₁ (точка 1) до давления Р₂. Конечное состояние отображается точкой 2. Она лежит на пересечении изобары Р₂ и изоэнтальпы i_1-2. Видно, что Т₂Т₁, 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 T_i 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 Р₁ = 20 МПа и Р₂ = 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.