Энергетическое обеспечение производства
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
¶дение какого-либо объекта), масштабов и других факторов.
При переносе теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой необходимо совершить работу. Это требование 2-го закона термодинамики предусматривает изменение некоторых параметров состояния (из уравнения Клапейрона-Менделеева pV = MRoT ), приводящих к охлаждению, где М - масса данного количества газа;
R -Ro - ее значение равно работе расширения, совершаемой какой-либо единицей массы газа при нагревании его на 1К при постоянном давлении.
Низкие температуры можно получить следующими способами:
1.Дросселированием газа или пара;
2.Расширением газа в детандере с совершением внешней работы;
.С помощью фазовых превращений, сопровождающихся поглощением теплоты, например, испарением воды, аммиака, плавления льда или растворения соли;
.Использованием вихревого эффекта потока газа или пара (труба Ранка);
.Десорбцией газа и другими способами.
Дросселированием называют снижение давления потока газа (или жидкости) при прохождении его через суженное отверстие при отсутствии теплообмена с окружающей средой, причем поток не производит внешней работы.
Изменение температуры при дросселировании реальных газов объясняется тем, что энталь последних являются функциями не только температуры Т, но и давления р газа:
i = u + pv = Cv * T + uпот + pv
где u - внутренняя энергия реального газа;
v - удельный объем;
Cv - удельная теплоемкость при постоянном объеме;
Cv * T - внутренняя кинетическая энергия молекул газа;
uпот - внутренняя потенциальная энергия газа, равная работе, которую надо затратить на преодоление сил притяжения между молекулами;
pv - объемная энергия газа.
Энергия, необходимая для расширения газа (против сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет притока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа.
Подставив в вышеприведенное выражение значения соответствующих членов до и после дросселирования (индексы 1 и 2 относятся соответственно к состоянию газа перед дросселированием и после него) выразим постоянство энтальпии при дросселировании равенством:
Cv.Т1 + u1 + p1V1 = Cv * T2 + u2 + p2V2
откуда
Cv . (Т1 - T2 ) = (u2 - u1) - (p1V1 - p2V2).
Последнее выражение позволяет установить возможное поведение реального газа при дросселировании:
- Если p2V2 > p1V1 , то Т1 - T2 > 0 и в результате дросселирования температура газа понижается;
- Если p2V2 (p1V1 - p2V2), то дросселирование также приводит к понижению температуры газа.
- Если в последнем случае (u2 - u1) Т1..
Этот способ годится не для всех газов. Некоторые из них, например, водород и гелий, при расширении через дроссельный вентиль, наоборот, нагреваются. Чтобы не дать газу нагреваться, нужно при расширении заставить его совершать работу, например, в поршневом двигателе или турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или лопатки турбины, отдают им свою энергию, движение их замедляется, и газ остывает, расширительные машины такого типа называют детандерами, с их помощью осуществляют один из важных промышленных способов сжижения газа.
Кроме дросселирования и расширения сжатого газа в детандере (с совершением внешней работы) для охлаждения могут быть использованы физические процессы.
К числу их относятся процессы фазовых превращений (плавление, кипение, сублимация и др.), сопровождающимся довольно значительным поглощением тепла. Для охлаждения можно использовать процесс плавления льда. Однако при этом лед чистой воды дает возможность охлаждения практически лишь до температуры его плавления (0С). Для понижения температуры плавления применяют охлаждающие смеси, состоящие из измельченного льда (или снега) с солью, например, хлористым натрием или хлористым кальцием. Так, смеси растворов хлористого кальция со льдом пригодны для охлаждения до температуры -55С.
При поступлении газа в трубку давление его падает от первоначального (в несколько атмосфер) до атмосферного и газ расширяется. Расширение газа происходит по мере его продвижения в трубке по спирали от периферии к центру. В этом же направлении должна увеличиваться и скорость газового потока, а следовательно, и его кинетическая энергия. Однако вследствие трения между слоями каждый слой газа часть своей кинетической энергии передает соприкасающемуся с ним внешнему слою. Таким образом, внешние слои газа получают от внутренних кинетическую энергию, значительная часть которых расходуется на трение, что и приводит к нагреванию газа во внешних слоях. Внутренние же слои, отдающие часть своей кинетической энергии внешним, имеют более низкую температуру.
Несмотря на относительно низкую термодинамическую эффективность этого способа получения холода, вихревые трубы перспективны для одновременного производства тепла и холода, когда требуется периодически получать небольшие количества холода или если имеются дешевые ресурсы сжатых газов. Основным преимуществом вихревого охлаждения является простота устройства и надежность эксплуатации вихревых труб.
5.2 Физические основы разделения газа
Состав воздуха. Атмосферный воздух представляет собой смесь нескольких газов (таблице 5.1), не связанных между собой химически.
Таблица 5.1 - Компоненты воздуха и их температура кипения
ГазКонцентрация, %Температура кипения