- •1. Введение
- •1.1. Состав воздуха, продукты его разделения, их характеристики и использование
- •1.2. Классификация криогенных установок
- •1.3. Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты
- •2. Термодинамические основы сжижения газов
- •2.1. Основные процессы для получения низких температур в воздухосжижительных установках
- •2.1.1. Дросселирование
- •2.1.2. Расширение газа в детандере
- •Лекция 16
- •2.2. Теоретические процессы сжижения газов (воздуха)
- •3. Технические процессы сжижения газов
- •3.1. Цикл высокого давления с однократным дросселированием
- •3.2. Цикл высокого давления с однократным дросселированием и дополнительным охлаждением
- •3.3. Квазицикл высокого давления с расширением газа в детандере (процесс ж. Клода)
- •3.4. Схема и квазицикл установки высокого давления (процесс п. Гейландта)
- •3.5. Схема и квазицикл установки низкого давления с расширением в турбодетандере (процесс п.Л. Капицы)
- •4.2. Ректификация жидкого воздуха
- •4.2.1. Общие сведения
- •4.2.2. Колонна однократной ректификации (для получения кислорода)
- •4.2.3. Колонна однократной ректификации для получения азота
- •4.2.4. Колонна двукратной ректификации
- •4.3. Получение аргона и других инертных газов
- •4.4. Хранение и транспортирование криогенных веществ
- •4.4.1. Тепловая изоляция криогенных систем
- •4.4.2. Криогенные емкости
- •Часть 5
- •5. Общие сведения о газовом топливе
- •5.1. Свойства газового топлива
- •5.2. Структура газопотребления
- •5.3. Основные пути экономии газа по отраслям
- •6. Назначение, состав и схемы систем газоснабжения
- •6.1. Схема сбора и транспорта газа
- •6.2. Прием и распределение газового топлива
- •6.2.1. Неравномерность потребления и методы ее выравнивания
- •6.2.2. Система газоснабжения промышленного предприятия
- •6.2.3. Прием и распределение природного газа
- •6.2.4. Прием и распределение искусственного газообразного топлива
- •6.2.5. Схемы внутрицеховых газопроводов
- •6.2.6. Схемы газорегуляторных пунктов и установок (грп и гру)
- •7. Основы проектирования систем газоснабжения
- •7. 1. Расчет газовых сетей
- •7.2. Устройство наружных газопроводов
- •Литература
2.1.2. Расширение газа в детандере
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:
. (2.5)
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 Тдт 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 - пд =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 Dр.к = 100-200 мм, КПД составляет 0,85-0,9;
при Dр.к = 30-100 мм – 0,6-0,7;
при Dр.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.