- •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
Лекция 16
2.2. Теоретические процессы сжижения газов (воздуха)
Идеальный процесс конденсации газов, для которых То.с»Ткр, может быть проведен тремя методами. Нагляднее эти методы можно отобразить на T, s-диаграмме (см. рис. 2.3).
Рис. 2.3. Теоретические процессы сжижения воздуха на
T, s-диаграмме:
а) 1-2-3 – охлаждением без предварительного сжатия;
б) 1-6-8-3 – охлаждением с предварительным сжатием ( , – докритическое и сверхкритическое давления);
в) 1-11-3 – изотермным сжатием и адиабатным расширением;
Ттт – температура тройной точки
Пусть начальное состояние воздуха соответствует условиям окружающей среды. На диаграмме это параметры в точке 1 (Т1 = То.с 288 К; Р1 0,1 МПа). Тогда, получение жидкого воздуха при том же давлении (в точке 3 Р3 = Р1) возможно следующими способами:
1) охлаждением воздуха без предварительного сжатия. В этом способе при неизменном давлении (Р1 = const) от воздуха отводится теплота (процесс 1-2). Температура снижается от То.с до начала фазового перехода в точке 2. Теплота охлаждения отводится в окружающую среду какой-либо вспомогательной холодильной или криогенной установкой.
Если в области влажного пара и дальше отводить теплоту, то при неизменной температуре будет происходить конденсация воздуха – процесс 2-3. В конце этого процесса весь газ перейдет в жидкость с параметрами точки 3. Теплота конденсации qк=i2–i3.
На весь переход от газа к жидкости количество теплоты, которое надо отвести от воздуха, будет qож = i1 –i3, а минимальная затраченная работа равна lож = e3–e1 (разность эксергий). Если воздух охлаждать дальше, то в точке 4 появится твердая фаза – шуга, а в точке 5 воздух полностью перейдет в твердое состояние;
2) сочетанием охлаждения с предварительным изотермическим сжатием. В этом процессе часть теплоты у газа отводится в процессе изотермического сжатия (процесс 1-6). Затем теплота отводится в изобарном процессе охлаждения (процесс 6-7).
Заметим, что если конечное давление изотермического сжатия меньше критического ( Ркр, точка 6’), то процесс сжижения будет аналогичен 1-му способу. Только конденсация будет протекать при температуре более высокой, чем при 1-м способе. И чем больше это давление, тем выше температура сжижения и меньше теплота конденсации qк.
При Pкр (конечная точка сжатия 6”) сжижение наступает уже при достижении критической температуры Ткр (в точке 7”) и в этом случае теплота конденсации qк = 0. При дальнейшем изобарном охлаждении в т. 9 появится шуга, а в т. 10 воздух перейдет в твердое состояние (линия 9-10 лежит на линии 4-5, т.е. при Ттт);
3) изотермическим сжатием с последующим адиабатным расширением до конечного давления Ро.с. Из диаграммы видно, что чем выше давление предварительного (изотермического) сжатия, тем большую долю теплоты сжижения qож можно отвести при температуре окружающей среды То.с.
Можно представить себе такой процесс, когда вся теплота qож отводится при То.с. Для этого газ изотермически необходимо сжать до такого давления Р11 (процесс 1-11), чтобы при адиабатном его расширении до Ро.с получить жидкость с параметрами точки 3 (процесс 11-3).
Чтобы получить твердую фазу, газ необходимо сжимать до давления Р12, с тем, чтобы при адиабатном расширении получить параметры точки 10 (точка 5).
В этом способе вся работа сжижения lож= e3 - e1 = e11 - e1 идет только на сжатие воздуха. Но чтобы реализовать этот метод, нужны сверхвысокие давления. Для воздуха, например, это давление превышает 45 ГН/м2
(45000 МПа), что реализовать нереально. Поэтому для воздуха такой метод неприменим.
Этот способ сжижения применяется для тех газов, у которых Ткр близка То.с (например, СО2), т.е. в установках, работающих в области холодильной техники (а не криогеники).
На практике используются 1-й и 2-й способы сжижения.
В 1-м – нужны дополнительные холодильные устройства и поэтому это, как правило, малопроизводительные лабораторные или полупромышленные установки.
Все промышленные установки по сжижению воздуха работают по 2-му способу, т.е. сжижение осуществляется охлаждением с предварительным сжатием. В качестве охладителя используется часть сжиженного газа, хотя могут использоваться и вспомогательные холодильные машины.
Теоретически суммарная работа сжижения во всех трех случаях одинакова (при одинаковых начальных и конечных параметрах воздуха). Это теоретически минимальная работа lмин. Наиболее удобно ее определять как разность эксергий воздуха при конечных параметрах: lмин = e3-e1. Сравнивая эту работу с затратами энергии в реальных установках, можно оценить их эффективность.
Эксергии вычисляются по известным соотношениям [1], кДж/кг:
; (2.7)
, (2.8)
где То.с, iо.с, sо.с – температура, энтальпия, энтропия воздуха, определяются по параметрам на входе в установку; i3, s3 – энтальпия и энтропия готового продукта определяется по параметрам сжиженного воздуха с помощью таблиц или диаграмм [3].