Теоретические основы разделения газовых смесей 1 страница

Основные понятия и определения. Задачи курса.

Криогенные установки («крио» - холод) – установки для получения холода определенного потенциала с температурой не больше 147К (t ≥ 147К).

Входят в более широкий класс установок для получения холода и являются разновидностью установок для трансформации теплоты.

Трансформация теплоты – процесс переноса теплоты от объекта относительно низкой температуры tн, который называется теплоотдатчик, к объекту с относительно высокой tв, который называется теплоприемник.

Такой процесс невозможен без совершения затрат работы или теплоты и не может протекать самопроизвольно.

В ходе такого процесса энергия теплоприемника увеличивается на величину Qв.

Qв = Q0 + Lзатрат

Трансформатор теплоты – установка, в которой осуществляется перенос энергии от источника с низкой t к источнику с высокой t с помощью рабочего тела - хладоагента.

Процесс отвода теплоты Q0 эквивалентен подводу холода к объекту в количестве Е0, таким образом, холод – это теплота со знаком “-“.

Количество теплоты, отведенное от объекта в единицу времени (или количество холода, полученное объектом в единицу времени) называется холодопроизводительностью, Вт (Дж/с).

Количество тепла, которое передается теплоприемнику в единицу времени называется теплопроизводительностью теплового трансформатора, Вт.

Если теплотрансформатор служит в основном для производства холода, он называется рефрижератор (R).

Такие теплотрансформаторы делятся на:

- холодильные установки > 147K

- криогенные установки ≤ 147К

Если теплотрансформатор служит преимущественно для выработки тепла, он называется тепловым насосом (Н).

Если теплотрансформатор служит одновременно для выработки и тепла и холода, то он называется кондиционер (RН).

§2. Общий принцип охлаждения.

Чем меньше энтропия системы, тем больше ее упорядоченность и тем меньше ее температура.

Охладить или понизить температуру системы значит снизить ее энтропию.

Самый простой способ охлаждения – изобарное охлаждение.

Для того, чтобы перейти из 1 в 2 необходим объект с температурой t < t2.

Такой способ охлаждения называется естественным или внешним.

В т.2 можно попасть и другим путем:

1-3 изотермическое сжатие.

В этом процессе необходимо отводить тепло (S1 à S2).

3-2 адиабатное расширение (при S=const).

Для осуществлении процесса 1-3-2 также понадобился холодный объект, но отвод тепла осуществляется на уровне t1, т.е. на более высоком температурном уровне.

Такой способ охлаждения называется искусственным или внутренним.

Повторив этот цикл в этом же диапазоне давлений (Р1-Р3), можно получить t5 значительно более низкую, чем t2 или t1.

Общий принцип внутреннего охлаждения можно сформулировать так: если t термодинамической системы зависит от S и параметра х, t = f(S; х), например, если х – давление, то необходимо:

Изменить параметр х в изотермических условиях с уменьшением S.

Произвести обратное изменение этого параметра х в адиабатических условиях при S= const

Если в качестве х – давление, то системы называются термомеханическими;

Если в качестве х – напряженность магнитного поля Н, то магнитокаллорические системы;

Если в качестве х – напряженность электрического поля Е, то электрокаллорические системы.

Преимущества искусственного охлаждения:

Можно охладить систему до температуры близкой к абсолютному 0;

Процесс охлаждения непрерывный. На этом принципе строятся машины для непрерывного получения холода;

Процесс получения холода не зависит от климатических условий.

Области применения тепловых трансформаторов:

Теплотрансформаторы, в частности, криогенные установки используются в следующих направлениях:

- металлургия. Продукты разделения воздуха, кислород используется в конверторной, мартеновской плавке, доменное производство и как интенсификатор процесса горения. Азот и аргон – в технологиях рафинирования стали (очистка); для создания инертных сред в процессе термообработки металла (колпаковые печи, протяжные печи); в технологии резки и сварки;

- машиностроение. Обработка стали холодом для увеличения твердости и изностойкости;

- химическая промышленность. Холод используется в технологиях осушки газов; конденсации паров; разделение сложных смесей и растворов; регулирование скорости химических реакций; хранение продуктов химических производств при криогенных температурах;

- газовая промышленность. В технологии разделения газовых смесей (например, получения Не); хранение и транспорт охлажденных продуктов; ожижение природного газа;

- авиация и космонавтика. Получение О2 и Н2; использование их для жидкостных реактивных двигателей;

- энергетика. Создание линий электропередач с использованием эффекта сверхпроводимости;

- радиотехника и электроника. Поддержание температуры элементов аппаратуры для обеспечения стабильных характеристик;

- пищевая промышленность. Криогенные для сверхбыстрой установки, холодильные установки для хранения;

- медицина. Криохирургия.

§3. Классификация трансформаторов теплоты.

Трансформаторы классифицируются:

По принципу организации работы теплового трансформатора;

По характеру протекающих в тепловом трансформаторе процессов;

По характеру протекания процессов во времени.

По принципу организации работы теплового трансформатора;

- термомеханические – наиболее распространены в промышленности

- магнитокалорические

- электрокалорические

Термомеханические: - компрессионные; - сорбционные; - струйные.

Компрессионные в зависимости от состояния и изменения состояния рабочего тела бывают:

- парожидкостные ПЖТТ, рабочее тело – пар-жидкость;

- газожидкостные ГЖТТ, газ-жидкость;

- газовые

1.2. Сорбционные:

- абсорбционные;

- адсорбционные

В этих установках давление рабочего тела изменяется в процессе сорбции (Р уменьшается) и десорбции (Р увеличивается).

В абсорбционных машинах рабочее тело поглощается жидкостью.

В адсорбционных – твердым телом.

Процессы сорбции и десорбции сопровождаются подводом и отводом тепла.

В качестве рабочего тела используется NH3-H2O, H2O-LiBr

По характеру протекающих в тепловом трансформаторе процессов;

- с повысительной трансформацией (когда подводится теплота низкого потенциала, а отводится высокого). Сюда относятся рефрижераторы, криогенные установки, тепловые насосы, кондиционеры.

- расщипительная трансформация (подводится теплота со средним потенциалом и делится на 2 потока: 1 с низким, 2 с повышенным потенциалом). Это – струйные трансформаторы – пароэжекторные машины и вихревые трубы.

По характеру протекания процессов во времени.

- циклические, когда процесс возвращается в исходную точку;

- квазициклические процессы, рабочее тело после прохода цикла покидает этот цикл. Это компрессоры, турбины, двигатели, вентиляторы.

- нециклические. Электромагнитные тепловые трансформаторы. Нет рабочего тела.

§4. Тепловые трансформаторы с циклическими процессами.

Цикл Карно со стационарными процессами.

Процессы тепловых трансформаторов описываются обратными термодинамическими циклами.

Идеальный цикл – обратный цикл Карно.

Цикл Карно со стационарными процессами включает 2 нагнетателя (компрессоры) и 2 расширителя (детандеры).

Составим энергетический баланс установки:

∑Lвх + ∑Qвх = ∑Lвых + ∑Qвых

Q4-1 + L1-2 + L2-3 = Q2-3 + L3-4 + L4-1

§5. Применение каскадных и регенеративных циклов.

Каскадный – один за другим, регенерация – восстановление.

Для работы теплового трансформатора в интервале температур tв и tн необходимо поддерживать определенный перепад давлений р1 и р3.

Чем больше эта разность температур, тем больше степень увеличения давлений.

Давление увеличивается в компрессоре и уменьшается в детандере.

Использование каскадного и регенеративного принципа позволяет уменьшить эти требования.

Каскадный принцип предложил Пихте, регенеративный – Сименс.

Каскадный метод.

Один цикл заменяется группой циклов, которые идут один за другим каскадом, при этом теплота из верхнего цикла сбрасывается в нижний.

Для каскада должна быть верхняя изотерма нижнего цикла выше нижней изотермы верхнего цикла.

Р3’ – Р1’ < Р3 – Р1

Разбивка 1 цикла на несколько позволяет добиться в итоге большей степени повышения давления, т.к. степень повышения давления в 1 ступени ограничивается 12.

Регенерация тепла.

Регенерация осуществляется путем отвода тепла от охлаждаемого потока и перебросом этого тепла нагреваемому потоку.

В итоге этот прием позволяет уменьшить степень повышения давления.

P3’ – P1 > P3 – P1

Наибольшего эффекта можно добиться в изобарной регенерации, т.е. когда т.1 и т.2 лежат на изобаре.

Можно провести регенерацию изохорно, но т.к. изобары идут круче изохор, то можно добиться максимального снижения степени повышения давления.

§6. Эксергетический метод анализа процесса трансформации тепла

По второму закону термодинамики теплота передается от более нагретого тела к менее. Ценность тепла определяется не количеством теплоты, а потенциалом теплоты по отношению к окружающей среде.

Таким образом, энергетическая ценность системы определяется не только ее параметрами, но и параметрами окружающей среды.

Работоспособность системы определяется эксергией Е (Дж).

Удельная эксергия – е (Дж/кг).

Эксергия – это величина работы, которую можно получить из данной термодинамической системы при ее обратимом взаимодействии с окружающей средой.

Электрическая и механическая энергия (эксергия) способна полностью превращаться в работу.

Эксергия электроэнергии равна самой величине энергии.

Емех.эн.=Р

Тепловая энергия превращается в работу лишь частично.

Eq = τqQ

Величина τq – коэффициент пропорциональности, коэффициент работоспособности тепла, показывает какую долю работы можно получить от теплоты системы при обратимом взаимодействии с окружающей средой.

Рассмотрим цикл Карно для теплового двигателя и теплового трансформатора в области влажного насыщенного пара.

Площадь S11234S4 – подведенная теплота, Q1

Площадь 14S4S1 – отведенная теплота, Q2

Т.1 отличается от т.4 степенью сухости.

│Eq│ = Qподв – Qотв = T∆S – Tо.с ∆S

Тогда τq можно определить:

С другой стороны термический КПД цикла Карно определяется:

Т2 – температура отвода тепла

Т1 – температура подвода тепла

Если Т1=Токр ср , тогда

ηt = τq

Проанализируем 1

Для прямого цикла Т > Токр ср

0 <τq <1

τq >0 – работа в цикле производится (+L)

τq<1 – в работу превращается только часть подведенного тепла.

Для обратного цикла: Т < Токр ср

τq < 0 – работа в цикле затрачивается

Если Т << Токр ср , тогда τq à-∞

Таким образом, для получения теплоты с потенциалом близким к 0 нам придется затрачивать большое количество работы.

Чем ниже температурный потенциал получаемого холода, тем затраты работы больше.

§7. Работа идеального парожидкостного теплового трансформатора.

Основные термодинамические характеристики.

Рассмотрим цикл теплового трансформатора в области влажного пара.

КМ – компрессорная машина

ДТ – детандер

КД – конденсатор

И – испаритель

Влажный пар с параметрами т.1 сжижается в процессе 1-2 в компрессорной машине. Давление растет от Р1 до Р2, температура растет от tн до t2. С параметрами т.2 рабочее тело поступает в конденсатор, 2-3 – процесс конденсации с отводом теплоты qв. Процесс конденсации – изобарный, изотермический. т.3– жидкость.

Процесс 3-4 – адиабатическое расширение. Из жидкости переходит в состояние влажного насыщенного пара – т.4. Давление уменьшится от Р2 до Р1.

4-1 – процесс подвода тепла в испаритель (подводится q0 от охлаждаемого объекта).

q0 = Тн∆S – количество тепла, которое в испарителе получило рабочее тело.

Qв = Тв∆S – количество тепла, которое рабочее тело отдает в конденсаторе.

Энергетический баланс установки:

q0 + lкм = qв + lдт

Затраты работы в цикле:

l = lкм – lдт = qв – q0 = e

Для оценки эффективности затрат работы в цикле используется следующие величины:

Затраты работы, отнесенные к теплоте, подведенной к рабочему телу на нижнем уровне.

Эн = - τq, при Тв = То.с.

Т.о. затрата работы, отнесенная к холодопроизводительности равна коэффициенту работоспособности тепла по обратной величине, при условии, что Тв = То.с.

Физический смысл Эн заключается в том, что он показывает, сколько необходимо затратить работы на отвод от охлаждаемого объекта определенного количества тепла на уровне Тн.

Реальный цикл парожидкостной установки.

Холодильный коэффициент.

В реальных установках сжатие влажного пара практически невозможно, т.к. это ведет к разрушению компрессоров, поэтому сжимают сухой насыщенный пар или перегретый, т.е. т.1 должна переместиться вправо.

В реальных машинах часто детандирование заменяют дросселированием, при этом процесс адиабатного расширения заменяется на изоэнтальпийное расширение.

При этом упрощается конструкция всей системы.

Для получения большей холодопроизводительности в систему вводят дополнительные теплообменники – охладители.

1-2 – реальный процесс сжатия в компрессоре;

1-2’ – идеальный процесс сжатия (адиабатный);

2-3’ – конденсация в КД (везде изобарный, в области влажного пара еще и изотермический);

3’ – жидкость;

3’-3 – переохлаждение жидкости в охладителе промежуточном;

3-4 – процесс дросселирования на ДВ.

Влажный насыщенный пар с параметрами т.4 попадает в отделитель жидкости и делится на жидкость с параметрами т.5 и сухой насыщенный пар с параметрами т.1.

Жидкость попадает в испаритель, где получает тепло от потребителя холода.

Пар в испарившейся жидкости попадает в отделитель жидкости и цикл замыкается.

Внутренняя удельная работа сжатия компрессора.

Если компрессора снабжены устройствами охлаждения:

li = h2 – h1 - qкм

Внутренний относительный КПД компрессора.

Электромеханические потери на привод компрессора оценивается с помощью электромеханического КПД.

Внешняя работа компрессора, отнесенная к клеммам электродвигателя характеризует использование электроэнергии и рассчитывается:

КПД электромеханический учитывает потери в электрических сетях и потери электропривода.

l характеризует расходы электроэнергии.

4. Удельный расход электроэнергии на единицу выработанного холода

qo - удельная теплопроизводительность установки

5. Холодильный коэффициент – величина обратная удельному расходу электроэнергии

Холодильный коэффициент численно равен количеству единиц холода, полученных на единицу затраченной электроэнергии.

§8. Хладоагенты, криоагенты и их свойства.

К рабочим телам, которые используются в теплотрансформаторах предъявляются следующие требования:

- рабочее тело должно обладать большой теплоемкостью;

- рабочее тело должно иметь низкую температуру затвердевания;

- рабочее тело должно быть пожаро- и взрывобезопасными по возможности.

Виды рабочих тел:

Хладоагенты – вещества или группы веществ, которые при Р=0,1 МПа имеют нормальную Ts=120…350К

Криоагенты – вещества и их смеси, которые при Р=0,1 МПа имеют нормальную Ts<120К

Наибольшее распространенными из хладоагентов являются NH3, фреон.

Фреоны – галогенизированные углеводороды, которые производятся на основе метана СН4.

При этом несколько атомов Н2 заменяются на F, Cl или Br.

В СССР они были известны как хладоны, сейчас – фреоны.

По ИСО 817-74 все фреоны имеют маркировку R.

Они делятся на 2 группы: - органического происхождения;

- неорганического происхождения

Фреоны органического происхождения делаются на основе природного газа.

Все фреоны имеют буквенное и цифровое обозначение.

Например, R-22=CHClF2

Последняя цифра = 2 обозначает число атомов F, предпоследняя – 2 – оставшееся число атомов Н2, увеличенное на 1.

К хладоагентам неорганического происхождения относят NH3, SO2,CO2.

В обозначениях используется цифра – 7, остальные – молекулярная масса вещества.

NH3 имеет резкий запах, легче воздуха, бесцветный, токсичен, пожаро- и взрывоопасен.

Используется для холодильных установок большой производительности, имеет высокое значение теплоты парообразования.

Фреоны, не имеют запаха, пожаро- и взрывобезопасны, не растворяются в воде, хорошо растворимы в масле, при контакте с открытым пламенем образуют ядовитый газ – фосген. По сравнению с NH3 худшие теплофизические свойства. Используется для малых и средних производительностей.

§9. Процесс дросселирования.

Дифференциальный дроссель-эффект Джоуля-Томсона.

Дросселирование реального газа сопровождается дифференциальным эффектом

αh = ( ) h = const, который характеризует изменение температуры как функции изменения давления при постоянной энтальпии.

В зависимости от природы газов и параметров проведения процесса температура в ходе дросселирования может изменяться или оставаться постоянной.

Т > 0; Т < 0; Т = 0

Т.к. при дросселировании давление всегда уменьшается, то αh < 0; αh > 0; αh = 0

Когда αh = 0, то это состояние называется инверсией.

На PV диаграмме геометрическое место точек, которые соответствуют состоянию инверсии называется инверсионной кривой.

Для криорефрижераторов, которые используют процесс дросселирования, т.е. для криорефрижераторов параметры рабочего тела должны находиться в области положительного дроссель-эффекта.

Рассмотрим процесс дросселирования на TS-диаграмме при различных начальных условиях:

1-2 – процесс дросселирования в зоне положительного дроссель-эффекта.

Т2 < Т1, Р уменьшается.

Сместимся по изотерме Т1 вправо и начнем дросселирование с т. 1’, также в зоне положительного дроссель-эффекта. Охлаждающий эффект ниже, чем в 1-2.

Сместимся от т.1 влево – т. 1’’.

В процессе дросселирования 1’’-2’’, температура сперва растет, достигает максимума и падает. ∆Р был больше, а охлаждающий эффект меньше

∆Р = (P’’1 – P’’2) > (P1 – P2)

Попробуем перемещаться по изобаре Р1 вверх и вниз в область различных начальных температур.

Если проводить дросселирование в области температур выше, чем t1, обнаруженный максимум будет сглаживаться и при t3 процесс дросселирования пройдет по 3-4 без изменения температуры.

3-4 – процесс дросселирования, принадлежит зоне αп = 0, t3 называется температурой инверсии.

В процессе 3-4 изотерма совпадает с изоэнтальпией.

При дальнейшем увеличении начальной температуры больше, чем t3, дросселирование идет с увеличением температуры, 3’-4’.

Эта зона в области отрицательного дроссель-эффекта и не подходит для криорефрижераторов.

Рассмотрим зону температур ниже, чем t1.

5-7 в зоне температур дроссель-эффекта, с уменьшением температуры по сравнению с 1-2 охлаждающий эффект выше.

Максимальный дроссель-эффект в области близкой к критической точке.

Максимум температур сползет влево.

Соединим максимумы пунктирной кривой, называемой инверсионная кривая.

Справа от нее находится область, когда дросселирование идет с уменьшением температуры, слева – с увеличением.

Например, у Н2 и Не инверсионная кривая проходит ниже температуры окружающей среды, и если начальные температуры этих сред находятся в зоне больше 170…180 К, то дросселирование приводит к нагреванию газа и не может использоваться как способ уменьшения температуры.

При положительном дифференциальном дроссель-эффекте и заданным конечным Р2 – чем больше начальное давление, тем больше охлаждающий эффект.

Максимальный эффект достигается когда начальные параметры лежат на инверсионной кривой.

Для воздуха при температуре окружающей среды давление, которое соответствует параметрам инверсии – 42 МПа.

При дальнейшем росте давления попадаем в область отрицательного дроссель-эффекта и охлаждающий эффект уменьшается.

§10. Идеальный процесс охлаждения, ожижения и замораживания газа.

Для разделения газовой смеси (в том числе и воздуха), с начала их переводят в жидкое состояние в процессе низкотемпературного охлаждения и после чего разделяют на компоненты.

Этот процесс наиболее отработан, хотя сейчас разрабатываются и другие процессы и технологии, в частности – адсорбционные и мембранные технологии.

Рассмотрим различные сценарии перевода газа в жидкое и твердое состояние.

1-2 – изобарное охлаждение

2-3 - изобарное изотермическое охлаждение

т.3 – жидкость

1-3 – процесс ожижения

qож = h1 – h3

3-4 – переохлаждение жидкости

т.4 – зарождаются твердые частицы, начало затвердевания

4-5 – затвердевание при Ттт – температура тройной точки

4-5 – шугообразное состояние

т. 5 – твердое тело

2 сценарий: в т.3 можно попасть и другим путем – провести изотермическое сжатие до т.6, потом 6-7 – изобарное охлаждение, 7-3 – адиабатическое расширение.

Можно охладить по 7-8-9, тогда затвердевание начинается из газовой фазы.

т. 8 – сублимированная масса

т. 9 – твердое при увеличении давления – Р6

3 сценарий: можно осуществить сжатие еще до более высокого давления Р10, 1-6-10 – охлаждение.

И из т.10 – адиабатическое расширение 10 – 5

Реально не применяются, т.к. необходимо создать Р=100…1000 МПа

Более предпочтительно – 1-11-3-4-5

§11. Ожижители с дроссельной системой

окончательного охлаждения (квазицикл Линде)

Рассмотрим охладительные установки и TS-диаграмму этого цикла.

Мы рассматриваем квазицикл. Рабочее тело после прохождения цикла покидает его.

Этот цикл относится к циклам газожидкостных тепловых трансформаторов.

В его основе лежит идея регенерации и дросселирования.

Дросселирование проходит в области влажного насыщенного пара.

Газ с параметрами т.1 с Р1 изотермически сжимается в компрессоре 1-2 с отводом тепла в теплообменнике.

Комплекс устройств, находящихся выше сечения а-а называется устройством подготовки рабочего тела. Далее рабочее тело охлаждается в процессе 2-3 в регенеративном теплообменнике (прямой поток м).

Тепло регенерации передается обратному потоку n, который в регенеративном подогревателе нагревается.

Процесс 3-4 – дросселирование на ДВ.

Т.4 – влажный насыщенный пар.

Пар поступает в отделитель жидкости ОЖ, где делится на жидкость с паром т.5 и сухой насыщенный пар с параметрами т.6. Этот пар нагревается в регенеративном теплообменнике в процессе 6-1 и с параметрами т.1’ покидает цикл.

Для квазицикла поток либо выводится из цикла, а для циклической установки могут вернуться в цикл.

Холодопроизводительность цикла – 4-6-S6-S4.

§ 12. Недорекуперация. Изотермический дроссель-эффект.

Энергетический баланс криоблока.

Криоблоком считают блок, установленный ниже сечения а-а.

Для криоустановок энергетический баланс записывается только для криоблока, без блока подготовки рабочего тела.

Работа регенеративных теплообменников характеризуется величиной - ∆Тн – температура недорекуперации.

∆Тн = Т1 – Т1’

Если бы теплообменник был идеальным, то обратный поток n мог бы догреться до температуры идеального потока м.

В реальных теплообменниках всегда есть разность температур ∆Тн, только идеальный теплообменник:

Т1’ à Т2 = Т1

∆Тн приводит к разности энтальпий, которую называют ∆hк.

Составим энергетический баланс для криоблока для 1 кг рабочего тела с h2.

В газообразном соединении с h1’ выхода рабочего тела в количестве (1-y).

Также из криоблока выходит жидкость h5 в количестве y.

1h2 + 1qиз = yh5 + (1 - y)h1’

1h2 + 1qиз = h1’ - yh1’ + yh5

yh1’ - yh5 = h1’ – 1h2 - 1qиз

Введем дополнительные обозначения:

1. ∆hн = h1 - h1’ – т.е. это потери Q от недорекуперации.

2. ∆hт = h1 – h2 – изотермический дроссель – эффект, энтальпия при одной и той же температуре, но разном давлении.

В отличие от дифференциального дроссель-эффекта, который показывает величину эффекта в градусах, ∆hт показывает какое количество тепла нужно подвести (отвести) к рабочему телу, чтобы в процессе дросселирования температура была постоянной.

∆hт – энтальпия рабочего тела при постоянной температуре, но разных Р.

qож = (h1 – h5) – только для ожижения

Введем замены:

h1 – h5 = qож

h1 – h1’ = ∆hн

h1’ – h5 = qож – ∆hн

h1 – h2 = ∆hт

h1 - h1’ = ∆hн

h1’ – h2 = ∆hт - ∆hн

Анализ:

Чем больше ∆hт, тем больше выход жидкости, т.е. чем больше Р сжатия, тем больше можно получить рабочего жидкого тела. Но с ростом Р растут затраты на сжатие.

Внутренний КПД изотропного сжатия:

Но темп роста выхода жидкости опережает темп роста затрат работы.