Учебный вопрос № 4. Сущность процесса расширения газов с отдачей внешней работы
При расширении газа с отдачей внешней работы, выражающейся в перемещении поршня или вращении рабочего колеса турбины, температура газа понижается значительно.
Доказано, что наибольшее охлаждение газа происходит тогда, когда процесс осуществляется адиабатически, т.е. без подвода и отнятия теплота от рабочего газа.
На диаграмме S-T (рис. 3) такой процесс изображен вертикальной линией, так как энтропия при этом остается постоянной. В реальных условиях адиабатический процесс осуществить нельзя, поскольку неизбежен теплообмен газа со стенками рабочей машины, в которой происходит расширение газа. Чем ближе действительный процесс расширения газа к адиабатическому, тем выше охлаждающий аффект.
Для адиабатического расширения идеального газа абсолютные температуры и давления в начале и конце расширения газа связаны следующим соотношением
Т2 / Т1 = (Р2 / Р1)к-1 / к
где: Р1 и Т1 – начальные давление и температура;
Р2 и Т1 – конечные давление и температура;
к – показатель кривой (адиабаты) расширения, равный отношению теплоемкостей газа к = СР / СV. Для воздуха к = 1,4.
При более высоком начальном давлении часть воздуха в конце расширения теоретически может переходить в жидкость. Таким образом, данный процесс является эффективным способом охлаждения газа и используется в тех случаях, когда основную часть продуктов разделения воздуха требуется получать в жидком виде, или для покрытия значительных холодопотерь в окружающую среду.
В процессе расширения с отдачей внешней работы реальные газы всегда понижают свою температуру. Действительный охлаждающий эффект расширения реального газа как при низких, так и высоких начальных температурах получается обычно несколько большим, чем для идеального газа. Однако вблизи критической точки охлаждающий эффект быстро уменьшается с понижением температуры и увеличением давления, и становится значительно ниже, чем для идеального газа.
Рассмотрим физическую сущность данного процесса.
При любом расширении идеальный газ должен производить следующие виды работ:
по преодолению внутренних сил притяжения между молекулами газа;
по преодолению внешнего сопротивления увеличению объема газа при расширении;
внешнюю работу за счет изменения давления газа при расширении.
При дросселировании энергия газа расходуется только на первый и второй виды работы, поэтому степень охлаждения газа незначительна. Третий вид работы также производится газом, но это не влияет на понижение температуры, так как работа затрачивается на преодоление сил трения при прохождении газа через дроссель и расходуемая внутренняя тепловая энергия газа возмещается возникающей теплотой трения.
Иными являются условия при адиабатическом расширении газа в поршневом детандере или турбодетандере. В этом случае третий вид работы отдается наружу как внешняя работа расширения (перемещает поршень или вращает рабочее колесо турбины), а затрачиваемая на нее внутренняя теплота газа не возмещается поступлением извне. Поэтому при расширении с отдачей внешней работы газ охлаждается значительно сильнее, чем при дросселировании, так как его внутренняя энергия расходуется на все три вида работы.
Процесс расширения газа с отдачей внешней работы наиболее эффективен, чем процесс дросселирования.
Пример. При дросселировании сжатого воздуха с 20 до 0,6 МПа удельная холодопроизводительность составляет приблизительно 33 кДж/кг, а температура понижается всего лишь на 40-50 градусов.
В случае расширения воздуха в поршневом детандере с 20 до 0,6 МПа с начальной температурой 300°К удельная холодопроизводительность составляет 125–135 кДж/'кг, а температура понижается на I50–160 градусов.
Таким образом, процесс расширения газа с отдачей внешней работы по холодопроизводительности в 3,5–4 раза эффективнее процесса дросселирования.
Как видно из принципа образования холода в детандерах, они могут быть холодильными машинами на любом газе, независимо от его сжимаемости.
Для непрерывного осуществления процесса охлаждения газа в детандерах необходимы следующие агрегаты:
компрессор;
концевой холодильник;
детандер.
Газ сжимается в компрессоре до рабочего давления и охлаждается в концевом холодильнике до температуры охлаждающей среды (вода), а затем поступает в детандер. В цилиндре газ расширяется и совершает работу, толкая поршень. На совершение работы затрачивается внутренняя энергия газа, вследствие чего его температура снижается, газ охлаждается. Одновременно при этом часть внутренней энергии затрачивается как и при дросселировании на преодоление межмолекулярных сил сцепления.
Наибольший эффект получается при адиабатном (изоэнтропном) расширении, когда к расширявшемуся в цилиндре газу тепло извне не подводится.
Рис. 3. Схема и график процесса расширения газа с отдачей внешней работы |
Действительный процесс является политропным с подводом тепла. Тепло к газу подводится через стенки цилиндра из окружающей среды и за счет трения поршня в цилиндре детандера.
Дата добавления: 2015-08-11; просмотров: 1158;