Ожижение криогенных газов

Ожижение газа при минимальном расходе энергии представлено на рис. 17.

Пусть первоначальному состоянию газа на диаграмме Т — s соответствует точка 1 (рис. 17, а). Если газ сначала сжать в компрессоре при постоянной температуре, равной температуре окружающей среды Т_о, до очень высокого давления р₂ (процесс 1-2 ), а затем расширить в детандере (процесс 2-f при s = const), то можно получить жидкость в состоянии, соответствующем точке 1. Если оба процесса обратимы, то минимально необходимая для ожижения газа работа определяется следующим образом:

l_min = l_k – l_q. (35)

При изотермическом сжатии требуется затратить работу, которая рассчитывается по формуле:

l_k=T₀ (s₁-s₂) -(i₁ - i₂), (36)

где i₁ и i₂ - энтальпия газа соответственно в начале и конце процесса сжатия.

При расширении газа в детандере производится работа:

l_д = i₂ – i_f, (37)

где i_f - энтальпия жидкости.

Таким образом,

l_min = T₀ (s₁-s₂) - (i₁ – i_f ). (38)

а)	б)
Рис. 17. Идеальное ожижение газов: а) процесс ожижения газа в диаграмме Т-s; б) схема идеального цикла для ожижения газа (сплошные линии - рабочее вещество, штриховая линия - ожижаемый газ)

Процесс ожижения газа можно организовать иначе. Пусть ожижение газа происходит по наиболее естественному процессу - изобарному при р₁ = const. Тогда газ необходимо предварительно охладить от состояния 1 до состояния 3 (процесс 1-3 ), а затем сконденсировать (процесс 3-f). При охлаждении газа от него отнимается теплота q_oxn = i₁ – i₃ этому количеству теплоты на рис. 17, а эквивалентна площадь 1-3-b-c-1 При конденсации отводится теплота q_кд=i₃ – i_f;площадь f-a-b-3-f на рис. 17, а соответствует теплоте конденсации.

Общее количество теплоты, отведенной от единицы массы газа при его ожижении в изобарном процессе 1-3-f составляет:

q_x = q_охл + q_кд = i₁ – i_f. (39)

Представить осуществление этих обратимых процессов можно при помощи цикла, называемого идеальным циклом для ожижения газов. Представим себе установку, состоящую из компрессора К, детандера Д и теплообменника Т (рис. 17, б). Рабочее вещество (криоагент) сжимается в компрессоре при постоянной температуре Т_о (процесс 1-2), расширяется в детандере при постоянной энтропии (s₂ = const) до состояния жидкости f и направляется в теплообменник Т, где вступает в тепловой контакт с ожижаемым газом (криопродуктом); причем во всех сечениях аппарата рабочее вещество и ожижаемый газ имеют одинаковые параметры состояния, но отделены один от другого теплопередающей поверхностью. Уравнение энергетического баланса:

l_К-l_Д=q_К-q_x, (40)

где q_К - теплота, отдаваемая в окружающую среду в процессе 1-2, ее можно определить по формуле (28) (см. стр. 32); q_x - теплота, отбираемая криоагентом от ожижаемого газа в процессе l_k-3_k-f_k (параметры состояния в точках l_k, 3 _k и f_k такие же, как в точках соответственно 1, 3, f).

Теплота q_x численно равна теплоте, отведенной от единицы массы газа при его ожижении, и может быть найдена по формуле (39) (см. стр. 36). Она определяет полезную удельную холодопроизводительность цикла при переменном уровне температуры от Т_о до T_x. После подстановки соответствующих значений в выражение (40) получим:

l_min = T₀ (s₁-s₂) - (i₁ – i_f).

На диаграмме Т - s (рис.17, а) этой работе эквивалентна площадь 1-2-f-3-1.

Минимальная работа l_min, затрачиваемая на ожижение 1 кг и 1 л различных газов, указана в табл. 1.

Для сравнения приведена примерная действительная работа ожижения некоторых газов.

Таблица 1

Минимальная l_min и приблизительная действительная l работа ожижения

некоторых газов при р = 0,1013 МПа и Т_о = 300 К

---

Дата добавления: 2015-07-24