ЛЕКЦИЯ 5 Расширение газа с совершением работы. Детандеры и их использование. Ожижитель воздуха Клода. Турбодетандер Капицы. Получение жидкого кислорода. Ожижение водорода и гелия. Гелиевые ожижители Симона и Капицы. Методы ожижения газов и конструкции ожижителей II Практическая реализация методов ожижения

Расширение газа с совершением работы При дросселировании газа (эффект Джоуля-Томсона) охлаждение достигается за счет внутренней работы, которую совершает газ против сил притяжения молекул. Рассмотрим процесс, в котором газ совершает работу против внешних сил (например, толкая поршень). При таком процессе также происходит охлаждение. Согласно первому началу термодинамики dQ = dU + dA = dU + PdV При адиабатическом расширении (dQ = 0) dU = C P T = - Pdv Это означает, что газ, расширяясь и выполняя при этом работу, уменьшает свою внутреннюю энергию, а, следовательно, и температуру. Этот вывод в одинаковой мере относится к идеальным и реальным газам. Причиной охлаждения газа при совершении им внешней работы является уменьшение скорости молекул при их ударах о поршень, которому они передают часть своей кинетической энергии.

Расширение газа с совершением работы С термодинамической точки зрения суть работы холодильной машины, которая использует адиабатическое расширение газов, хорошо видна на диаграмме зависимости энтропии S от температуры T. P 2 > P 1 Кривые передают особенности энтропии как меры беспорядка: беспорядок и энтропия тем больше, чем выше температура, и тем меньше, чем выше давление. 1. Изотермическое сжатие газа в компрессоре (теплота сжатия отводится в теплообменнике) P 2 > P 1 Т 1 = const 2. Адиабатическое расширение S = const Рост энтропии, вызванный расширением, как бы компенсируется уменьшением ее за счет охлаждения. Устройство, в котором происходит адиабатическое расширение газа, называется детандером. Отбор теплоты сжатия

Ожижитель воздуха Клода Первое применение детандеров – 1902 г. машина Клода (Франция) для ожижения воздуха. Расширение в детандере часто служит лишь для предварительного охлаждения сжимаемого газа до возможно более низкой температуры (ниже критической). Само же охлаждение осуществляется с помощью дросселирования уже охлажденного газа. 1. Воздух сжимается (теплота сжатия отводится водой) Р 1 = 1 ат, Р 2 = 40 ат. 2. Сжатый воздух проходит через т/о Е 1 и разделяется на два потока ~ 80% идет в детандер и ~20% в следующий т/о Е Из детандера охлажденный газ возвращается в т/о Е 2, охлаждая встречную порцию газа. 4. Охлажденный в т/о Е 3 газ с помощью дросселя сжижается в сборник. Использование адиабатического расширения газа в детандере позволяет отказаться от предварительного охлаждения водородом в гелиевых ожижителях. Это сильно улучшает безопасность процесса. Детандеры бывают - поршневые (Клод) - турбинные (Капица)

Ожижитель воздуха Клода C – компрессор А – холодильник В – осушитель Е – главный теплообменник L – конденсатор F – 2- ступенчатый детандер D - сборник 1 - компрессор 2 - детандер 3 - дроссель 4 - сборник Е1, Е2, Е3 - теплообменники

Турбодетандер Капицы В 1938 г. Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Для работы с поршневым детандером необходимы давления 200 атм, с турбодетандером – 6 атм. В турбодетандере имеются расположенный по периферии неподвижный направляющий аппарат и помещенное внутри него вращающееся рабочее колесо. В направляющем аппарате по окружности расположены сопла, расширяясь в которых поток рабочего вещества разгоняется и приобретает определенную скорость. Давление газа снижается с P1 до Рm. Капица изменил конструкцию – в его детандере воздух расширяется не только в соплах, но и на лопатках. К.п.д. повысился с 0,5 до 0,8. Попадая на лопатки рабочего колеса, газ вращает его, отдавая энергию и охлаждаясь. При этом его давление снижается c Pm до P2. Отработавший газ выпускается через патрубок, расположенный в центре колеса. Схема движения потоков газа и распределения давления в активном (а) и активно- реактивном (б) турбодетандерах. 1 - направляющий аппарат; 2 - рабочее колесо.

Получение жидкого кислорода Воздух сжимается в турбокомпрессоре до 6 бар и далее охлаждается в теплообменнике- регенераторе и ожижителе, после чего часть воздуха направляется на разгонку в ректификационный аппарат для получения концентрированного кислорода. Оставшаяся часть сжатого воздуха поступает на расширение в турбодетандере Капицы до 1,3 бар, где охлаждается и идет в обратном направлении в ожижитель и теплообменник-регенератор для охлаждения поступающего сжатого воздуха. Разгонка жидкого воздуха ведется при давлении 1,3 бар. Концентрированный кислород сливается из нижней части ректификационного аппарата

Кривые инверсии

ВОДОРОДНЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ ДЬЮАРА 1 – сжатый водород; 2 – вход газообразного водорода; 3 – управление дросселем; 4 – выход газообразного водорода; 5 – жидкий водород; 6 – дроссель; 7 – жидкий воздух; Т кип ~ 90 K 8 – углекислота. Т кип ~ 195 K

Дроссельные ожижители водорода и гелия H 2 T i = 204K T k = 33.2K P k = 13 атм 4 He T i ~ 40K T k = 5.21K P k = 2.26 атм

Гелиевый ожижитель Симона 1. Гелий под давлением около 150 атм подается в сосуд А, который охлаждается сначала жидким азотом (5), а затем жидким водородом, заливаемым в резервуар В. (6) – вакуумная рубашка; (1) – откачка рубашки. 2. Давление водорода понижают путем его откачки (2). Температуры в сосудах А и В уменьшаются до ~10 К. При этой температуре водород находится в твердом состоянии, а его давление паров равно 1,7 мм рт. ст. При этом для установления теплового равновесия между твердым водородом и сосудом В требуется достаточно большое время. 3. Закрывают вентиль V1 и прекращают дальнейшую подачу теплого гелия. В сосуде В достигается минимальная температура. 4. Открывают вентиль V2, давая выход сжатому гелию. Когда давление в сосуде А снижается до атмосферного, он оказывается почти целиком заполненным жидким гелием. Ожижение гелия совершается за счет изоэнтропического расширения оставшегося в сосуде А гелия, который совершает работу по выталкиванию остальной части гелия также, как если бы он совершал работу по толканию поршня. Отсутствие значительного трения делает процесс близким к изоэнтропическому.

Гелиевый ожижитель Капицы 1 – поршневой компрессор 2, 4, 6, 7 – теплообменники 3 – ванна с жидким азотом 5 – поршневой детандер 8 - дроссель 9 – сборник жидкого гелия 10 – клапан слива гелия В 1934 г. П. Л. Капица предложил и практически осуществил гелиевый ожижитель без жидкого водорода. Предварительное охлаждение осуществляется в расширительной машине – поршневом детандере. Это сделало конструкцию более безопасной. Наибольшие трудности были связаны с созданием детандера, поршень которого должен перемещаться в цилиндре при низкой температуре (около 15 К) без трения и без больших утечек расширяемого газа. Смазки применять было нельзя. Было использовано щелевое уплотнение поршня (малый зазор между поршнем и цилиндром).

Турбодетандер Капицы В турбодетандере, как и во всех центростремительных турбинах (и паровых, и водяных), имеются расположенный по периферии неподвижный направляющий аппарат и помещенное внутри него вращающееся рабочее колесо. В направляющем аппарате по окружности расположены сопла, расширяясь в которых поток рабочего тела разгоняется и приобретает определенную скорость. Попадая на лопатки колеса, рабочее тело вращает его, отдавая энергию и охлаждаясь. Отработавшее рабочее тело выпускается через патрубок, расположенный в центре колеса. В направляющем аппарате давление газа снижается с P1 до Рm, и газ приобретает определенную скорость. Попадая на лопатки рабочего колеса, газ вращает его, отдавая энергию; при этом его давление снижается c Pm до P2 В активном турбодетандере практически весь перепад давлений срабатывается в соплах направляющего аппарата, где газ разгоняется до скорости звука. Струи газа на коротких лопатках рабочего колеса меняют направление, и кинетическая энергия газа преобразуется в работу. В активно-реактивном турбодетандере газ разгоняется в направляющем аппарате до значительно меньшей скорости, чем в активном, а работа совершается не только в результате изменения направления потока газа, но и под действием реакции струи в длинных каналах рабочего колеса (в). Поэтому основные потери - гидравлические, связанные со скоростью газа, в активно- реактивном турбодетандере на 25-30% меньше, чем в активном.

Турбодетандер Капицы До 1938 г. для получения жидкого воздуха пользовались только поршневыми детандерами. По существу, такой детандер – это аналог паровой машины, только работает в нем не пар, а сжатый воздух. Чтобы получить жидкий воздух с помощью таких детандеров, нужны были давления порядка 200 атм., причем по неизбежным техническим причинам на разных стадиях процесса давление было не одинаковым: от 45 до 200 атм. КПД установки был немногим выше, чем у паровой машины. Установка получилась сложной, громоздкой, дорогой. В конце 30-х годов П.Л. Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Идея – не новая, ее еще в конце XIX века высказывал Дж. Рэлей, но к.п.д. «докапицынских» турбин для сжижения воздуха был невысок. Поэтому небольшие турбодетандеры лишь выполняли кое-какую подсобную работу при поршневых детандерах. Капица создал новую конструкцию, которая, по словам изобретателя, была «как бы компромиссом между водяной и паровой турбиной». Главная особенность турбодетандера Капицы в том, что воздух в ней расширяется не только в сопловом аппарате, но и на лопатках рабочего колеса. При этом газ движется от периферии колеса к центру, работая против центробежных сил. Такая конструкция турбины позволила поднять к.п.д. установки с 0,5 до 0,8. И, кроме того, турбодетандер «делает» холод с помощью воздуха, сжатого всего лишь до нескольких атмосфер. Очевидно, что 6 атм. получить намного проще и дешевле, чем 200. Немаловажно для экономики и то, что энергия, которую отдает расширяющийся воздух, не пропадает напрасно, она используется для вращения ротора генератора электрического тока.