Тепловые процессы

Форма 2.5.3.2

справочным данным определить теплофизические свойства

воздуха: ρвозд , μ возд, λвозд , свозд, Prвозд и занести их в таблицу по форме 2.5.3.2.

136

нанесенными на него для сравнения полученными при выполнении данной работы экспериментальными значениями.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1)В чем состоят особенности теплоотдачи газов при взаимодействии с теплопередающими поверхностями? Как эти особенности сказываются на конструкциях теплообменных аппаратов?

2)Какая характеристика каналов при движении сред принимается за характерный линейный размер, если их форма отлична от круглой, и каким образом она определяется?

3)Значение какого критерия подобия определяет в большей степени интенсивность теплоотдачи при вынужденном движении сред (газов или жидкостей) у теплообменной поверхности?

4)Каким критерием, входящим в критериальное уравнение (2.5.12) в случае теплоотдачи к газу (или от газа), можно пренебречь в инженерных расчетах и почему?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: 3-е изд. – М.: Химия, 1987.

2.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи

по курсу процессов и аппаратов химической технологии: 10-е изд. – Л.: Химия, 1987.

138

3) комбинированные циклы, т. е. совмещающие дросселирование газа с его расширением в детандере.

Для сжижения воздуха и продуктов его разделения с 50-х годов ХХ века стали применять криогенные газовые машины, в основу работы которых положен обратный цикл Стирлинга. По этому циклу работает криогенная газовая машина воздухоразделительной установки ЗИФ-1002.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ

Цикл Стирлинга состоит из двух изотерм и двух изохор (рис. 2.6.1). Схематично работу идеальной машины, осуществляющей этот цикл, можно представить следующим образом.

При движении поршня А из крайнего левого положения направо происходит сжатие газа в компрессорной К части цилиндра от давления Р1 до давления Р2 при температуре Т0 = const, а выделяющееся при сжатии тепло отводится в теплообменнике ТО1 охлаждающей водой. При этом объем газа уменьшается от V1 до V2, так как поршень Б остается неподвижным в крайнем левом положении (см. рис. 2.6.1а, рис. 2.6.1б, рис. 2.6.1д, рис. 2.6.1е). Затем оба поршня одновременно перемещаются вправо, при этом газ, не изменяя объема, проходит через регенератор Р (газ охлаждается, насадка регенератора – нагревается) из компрессорной К в детандерную часть Д цилиндра (см. рис. 2.6.1в), в результате чего его температура снижается от Т0 до Т, а давление от Р2 до Р3 по изохоре 2-3 (см. диаграммы P-V и T-S1 на рис. 2.6.1д и рис. 2.6.1е). После этого происходит расширение газа детандерной Д части цилиндра при Т = const (см. рис. 2.6.1г), так как уменьшения температуры в результате расширения не происходит, поскольку в теплообменнике ТО2 отнимается тепло у охлаждающего тела. В процессе расширения давление газа снижается от Р3 до Р4, а объем увеличивается от V3 до V4. На этой стадии оба поршня находятся в крайнем правом положении. В заключительной стадии поршни А и Б движутся одновременно налево до крайнего левого положения, при

140

ЦЕЛИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Целями настоящей лабораторной работы являются:

∙Ознакомление с термодинамическими основами получения глубокого холода на примере цикла Стирлинга.

∙Ознакомление с устройством и работой криогенной газовой установки (КГУ) ЗИФ-1002 в режиме получения жидкого азота.

∙Составление энергетического баланса установки с определением холодопроизводительности, удельного расхода энергии и КПД термодинамического цикла.

ОПИСАНИЕ КГУ ЗИФ-1002

Криогенная газовая установка ЗИФ-1002 представляет собой малогабаритную установку для получения глубокого холода и сжижения газов. Ожижаемый газ не подвергается в машине сжатию, поэтому не вступает в контакт со смазочными маслами, в результате чего жидкий продукт остается чистым.

В состав установки для получения жидкого азота (см. рис. 2.6.2) входит азотная колонна 1 и холодильно-газовая машина, состоящая из компрессора 5, ожижителя 3 и электродвигателя 8. Перед пуском установки в работу компрессор заправляют хладагентом – гелием. Из заправочного баллона 5 гелий под давлением поступает через редуктор 9 по трубопроводу в осушитель газа 11, где поглощается влага. Осушенный гелий через клапан наполнения 12 поступает в полость наполнения компрессора. В заправленной машине давление гелия как в рабочем пространстве компрессора, так и в его картере одинаковое. Давление заправки контролируют контактным манометром 8.

После пуска холодильно-газовой машины в работу в течение 2–5 мин длится процесс «наработки холода», т. е. охлаждение теплообменных поверхностей. В последующие примерно 1,5 ч идет накопление жидкого воздуха до количества, необходимого для пуска колонны. В указанный период колонна 1 не работает.

142

Вазотной колонне жидкий воздух, посредством ректификации разделяется на азот и кислород. При этом в верхней части колонны находятся пары низкокипящего компонента – азота, а в нижней скапливается высококипящий компонент – кислород. Пары азота по переходной трубе 2 поступают в ожижитель 3 и ожижаются, стекают вновь по трубе 2 в колонну, при этом часть жидкого азота используется для орошения насадки колонны в виде флегмы, а другая часть выводится по сливному патрубку 17 в качестве готового продукта.

Жидкий кислород используют для охлаждения поступающего в колонну газообразного воздуха, при этом он испаряется и его пары выбрасываются в атмосферу.

Вхолодильно-газовой машине одновременно происходят два процесса: внутренний – получение глубокого холода, и внешний – сжижение газов.

ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ГЛУБОКОГО ХОЛОДА (ВНУТРЕННИЙ ПРОЦЕСС)

Основными элементами холодильно-газовой машины, обеспечивающими получение низкой температуры являются (рис. 2.6.3): регенератор 4, цилиндр 5, холодильник 6, поршень компрессора 7, колпак с поршнем вытеснителя 3. Поршни приводятся в движение с помощью коленчатого вала и двух шатунов. Все эти элементы заключены в герметичный корпус и заполнены гелием. На верхней части корпуса 2 установлен ожижитель 1. Пространство над поршнем компрессора является рабочим пространством, которое разделено вытеснителем на две части – зону сжатия и зону расширения. Зона расширения расположена над вытеснителем, а зона сжатия – под ним.

При работе машины вращательное движение коленчатого вала через шатуны поршня а и вытеснителя б преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня и вытеснителя.

144