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.

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.