Сжижение газов 2 (стр. 3 из 8)

.

Это значит ,что газ, расширяясь и совершая при этом работу, уменьшает свою внутреннюю энергию, а значит, и температуру. Это в данной мере относится и к идеальному, и к реальному газам. Причиной охлаждения газа при совершении им внешней работы является уменьшение скоростей молекул при их ударах об удаляющийся от них поршень, которому они передают часть своей кинетической энергии.

Вообще говоря, охлаждение при адиабатном расширении с совершением внешней работы должно быть более эффективным ,чем при дросселировании, так как адиабатное расширение – процесс обратимый (или, по крайней мере, могущий быть обратимым), в то время как эффект

Джоуля – Томсона – процесс необратимый. Нам уже известно, что обратимость процессов в машине обеспечивает большой коэффициент полезного действия. Правда, этот вывод относился к машине, преобразующей тепло в механическую работу, а не в холодной воде. Но все, что говорилось о к.п.д. тепловой машины, полностью относится и к холодным аппаратам, которые можно считать устройствами, обратными тепловым двигателям.

В холодной машине тепло отбирается от холодного тела и передается более нагретому. При этом затрачивается механическая работа, за счет которой и происходит передача тепла от холодного тела к теплому. Сам собой такой процесс не может идти. «теплым» телом для холодильника служит окружающая среда, которая для теплового двигателя служит холодильником. Ей передается тепло от того тела, которое требуется охладить.

Холодильная машина является ,таким образом, обращенным двигателем. Коэффициентом полезного действия холодильной машины мы должны считать отношение количества теплоты Q, отнятого от охлаждаемого тела, к затраченной при этом работе А:

.

В применении к холодильным аппаратам он называется холодильным коэффициентом. Легко показать, что для холодильной машины, работающей по циклу Карно, холодильный коэффициент равен

,

где Т₁ – температура охлаждаемого тела и Т₂ – температура тела, которому тепло передается. Холодильный коэффициент, разумеется, может быть и больше единицы. Лучшей машиной считается та, которая для отнятия данного количества тепла от охлаждаемого тела тратит наименьшую работу.

Подобно тому, как в тепловом двигателе его цель – совершение работы – достигается при расширении газа, в холодильном аппарате его цель – охлаждение – тоже достигается при расширении (адиабатном) газа. Поэтому самой существенной частью такой машины является та часть ,в которой происходит расширение газа. Она называется детандером. Устройство его может быть самым разнообразным.

Чтобы газ можно было подвергнуть расширению (в детандере), он должен быть сперва сжат компрессором. Работа, совершаемая компрессором, и есть та работа, за счет которой становится возможной передача тепла от холодного тела к теплому. Но при сжатии газа он нагревается, что, конечно, уменьшает эффективность последующего охлаждения при расширении. Поэтому тепло, выделяемое при сжатии, отводится (например, проточной водой), так что процесс сжатия может считаться изотермическим.

С термодинамической точки зрения сущность работы рассматриваемой нами холодильной машины, использующей адиабатное расширение газа, я яснее всего видна из диаграммы зависимости энтропии от температуры. Такая диаграмма показана нарис.2, на котором изображена зависимость энтропии газа S от температуры Т при постоянном давлении для двух различных давлений – высокого р₁ и низкого р₂.

рис. 2

Легко видеть ,что кривые правильно передают особенности энтропии как меры беспорядка. Ясно, что беспорядок (а значит и энтропия) тем больше, чем выше температура, и тем меньше, чем выше давление. Именно это отражает этот рисунок.

Процесс изотермического сжатия от давления р₂ до р₁ изображается на этом рисунке вертикальной прямой АВ (энтропия уменьшается). Обратимому адиабатному расширению от давления р₁ до р₂ соответствует горизонтальная прямая ВС, так как при этом процесс энтропия остается постоянной. Из рисунка видно, что расширенное сопровождается понижением температуры от Т₂ до Т₁. Это значит, что рост энтропии, вызванный расширением, как бы компенсируется уменьшением ее, сопровождающим охлаждение.

Рассмотренное только что охлаждение газа его расширением в детандере используется , как и эффект Джоуля – Томсона, для понижения температуры газов с низкими критическими температурами перед их сжатием. Обычно расширение в детандере служит лишь для предварительного охлаждения сжигаемых газов до возможно более низкой температуры (во всяком случае ниже критической). Самое же сжижение осуществляется с помощью дросселирования уже охлажденного газа. Можно, разумеется, добиться сжижения газа в самом детандере, не прибегая к дросселированию, но при очень низких температурах сжижаемых газов это создает очень тяжелые условия для его работы. Поэтому в тех машинах, в которых применяется метод адиабатного расширения в детандерах, он комбинируется с методом дросселирования.

Рассмотрим теперь некоторые примеры машин, в которых используются описанные нами методы охлаждения – метод

Джоуля – Томсона и метод адиабатного расширения с совершением внешней работы.

§4. Сжижение газов с использованием эффекта Джоуля – Томсона (метод Линде)

В исторически первой машине для сжижения газов (воздуха) в технических масштабах (Линде и Гэмпсон, 1895 г.) для охлаждения газов ниже критической температуры и последующего сжижения использовался метод дросселирования. В настоящее время для этой цели применяются главным образом машины с расширением в детандерах. Но все же приведем здесь схему машины Линде, поскольку в ней наряду с использованием эффекта Джоуля – Томсона был применен важный конструктивный принцип противоточного теплообмена, в той или иной форме и теперь применяемый во всех ожижительных машинах.

Схема машины Линде представлена на рис. 3.

Воздух поступает в компрессор К, в котором он сжимается до 200 атм. После этого он проходит в змеевик, охлаждаемый проточной водой, где о отдает тепло, выделившееся при сжатии. Таким образом, в дальнейший путь к сжижению идет сжатый газ с температурой такой же, как и до сжатия. Этот газ проходит затем через змеевик ab к дроссельному вентилю (крану) V₁ и расширяется через него в приемник f до давления в 1 атм. При расширении газ несколько охлаждается, но, конечно, не настолько, чтобы превратиться в жидкость.

Охлажденный, но не сжижившийся газ возвращается затем обратно через змеевик cd. Оба змеевика, ab и cd, расположены друг относительно друга так, что между ними, а также между порциями газа, проходящими по ним, существует тепловой контакт. Благодаря этому испытавший расширение и охлаждение газ охлаждает идущую ему навстречу порцию сжатого газа, которой еще предстоит расшириться через вентиль V₁. В этом и заключается метод противоречивого обмена теплом. Ясно, что рис. 3

вторая порция газа подойдет к расширительному

вентилю V₁ , имея более низкую температуру, чем первая, а после дросселирования она еще более понизится. Проходя в свою очередь через теплообменник, этот уже дважды охлажденный газ снова поглотит тепло от новой встречной порции сжатого газа , и т.д. Таким образом к вентилю будет подходить все более холодный газ. Через некоторое время поле начала работы машины постепенное охлаждение газа холодными встречными потоками приведет к тому, что газ при очередном дросселировании начнет частично сжижаться и накапливаться в приемнике f, откуда он может быть слит через кран V₂ в сосуд Дьюра.

При установившемся процессе работы машины в разных ее местах наблюдаются приблизительно такие температуры: у входа в змеевик ab температура 293 К (комнатная); на выходе из этого змеевика 170 К; после дросселирования 80 К; у входа а змеевик cd (в точке с) 80 К; на выходе из него – комнатная температура. Давление перед вентилем 200 атм, после дросселирования 1 атм.

Устройство, включающее оба змеевика abи cd, в котором происходит охлаждение газа встречным потоком охлажденного газа, называется теплообменником. В машине Линде теплообменник осуществляется в виде вставленных одна в другую трубок, которым вместе придавалась форма змеевика. Газ высокого давления поступает по внутренней трубке (рис. 4). Встречный поток охлажденного газа низкого давления проходит по внешней трубке, омывая внутреннюю и охлаждая, таким образом, газ в ней.

Рис. 4 рис. 5

Описанный принцип противотока применяется во всех холодильных машинах, хотя конструкции теплообменников подверглись значительным изменениям. В современных установках они обеспечивают лучший теплообмен и, кроме того, делают возможной очистку сжижаемого газа от примесей.

На схемах изображены теплообменники расположенными рядом змеевиками, причем жирными линиями показывают трубки, по которым проходит газ под высоким давлением, тонкими – трубки, в которых проходит газ низкого давления.

В настоящее время машины типа Линде для сжижения воздуха применяются редко. Однако для сжижения водорода и гелия машины этого типа, действие которых основано на использовании эффекта Джоуля – Томсона, применяются и до сих пор. В качестве примера рассмотрим схему одной из машин для сжижения гелия.