Равновесное адиабатное расширение газа в детандере

Детандирование - процесс равновесного адиабатического расширения газа с совершением внешней работы.

При отсутствии внешнего теплообмена и каких бы то ни было внутренних процессов трения процесс расширения газа протекает при соблюдении условия: S=const.

В этом случае, исходя из первого закона термодинамики, получим:

dU=Tds+pdV; dI=TdS+VdP,

0 0

где pdV - работа в замкнутой; Vdp - работа в открытой термодинамической системе.

Уменьшение внутренней энергии газа максимально, поэтому такой процесс сопровождается наибольшим уменьшением температуры.

Эффект изменения температуры в элементарном изоэнтропном процессе называется дифференциальным эффектом дитандирования:

. (20)

Воспользовавшись уравнениями термодинамики, можно представить выражение (20) в виде:

. (21)

Разделив уравнение (21) на a_s, получим:

. (22)

Из приведенных соотношений можно сделать следующие выводы:

1. Значения a_s - положительны практически в любой области состояний рабочего тела.

2. С повышением температуры, a_s также возрастает; при этом работа расширения соответственно увеличивается.

3. С увеличением давления, т.е. уменьшением удельных объемов, a_s уменьшается. Таким образом, в процессе изоэнтропного расширения a_s - переменная величина.

4. Вблизи критических состояний и в области влажного насыщенного пара (ВНП) значения a_i и a_s наиболее близки, т.к. в этих областях из-за больших значений 1 /(Tb) значения всего этого комплекса уменьшается, т.е. стремится к нулю.

Чем больше отношение , тем менее выгодно применение детандеров, поскольку детандер - устройство гораздо более сложное и дорогое, чем дроссельный вентиль.

Для большей части реальных газов, используемых в криогенной технике, изменение температуры в изоэнтропных процессах с точностью, вполне достаточной для инженерных расчетов, можно определить из уравнений:

, (23)

. (24)

Уравнение (24) справедливо в широкой области состояний, в том числе и вблизи пограничной кривой. Погрешность для криогенных газов (воздух, неон, гелий) составляет не более 3 %, исключением является водород, для которого погрешность может составить до 30 %.

На практике процессы расширения газов совершаются в расширительных машинах - детандерах. В детандерах энергия сжатого газа преобразуется в работу, и процесс приближается к изоэнтропному. Работа передается к тормозному устройству.

Роль тормозного устройства часто играет электродвигатель, который в период пуска выводит детандер на рабочий режим после того, как вал детандера набирает заданную частоту вращения, электродвигатель переходит в режим генератора и возвращает в электрическую сеть часть энергии, которая расходуется на сжатие газа.

Контрольные вопросы и задания:

1. Объясните, почему дросселирование для идеального газа является полностью необратимым процессом, а для реального газа этот процесс частично обратим?

2. Почему можно допустить, что процесс дросселирования протекает адиабатно? Для чего вводится это допущение?

3. Почему процесс дросселирования изображается в диаграмме штриховой линиией?

4. Всегда ли температура рабочего тела при дросселировании снижается? Поясните примерами.

5. Дайте определение дифференциального эффекта Джоуля-Том-сона, его физическая сущность.

6. Что такое кривая инверсии и как она располагается в Т-s диаграмме?

7. Рассчитайте массу жидкого кислорода, полученного в результате дросселирования 1 кг газа от давления 7 МПа до давления 6 бар. Температура исходного газа 155 К.

8. Дайте определение дифференциального эффекта детандирования. В чем заключается его физическая сущность?

9. Как изменяется дифференциальный эффект детандирования при изменении температуры, давления?

10. Определите состояние и термодинамические параметры азота, полученного в результате расширения в детандере от начального давления 30 бар и температуры 200 К до конечного давления 0,5 МПа.

Дата добавления: 2015-07-24