ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Расширение газов с совершением внешней работы из "Получение и использование низких температур " Рассмотрим процесс расширения газа на примере идеального (без потерь) поршневого детандера. Детандер (рис. 6) состоит из цилиндра 1, поршня 2, впускного 3 и выпускного 4 клапанов. Работа I расширения газа передается поршню 2, от которого она может быть отведена дальше тем или иным способом. [c.25] Когда давление в цилиндре снизится с pi до pz, открывается выпускной клапан 4, а поршень начинает перемещаться справа налево, сообщая газу работу выталкивания, равную P2UZ. [c.26] Сопоставим эффекты понижения температуры воздуха при его дросселировании и расширении в детандере. Пусть воздух перед расширением имеет pi—20 МПа, fi= =300 К, после расширения р2=0,5 МПа. Процесс расширения в обоих случаях происходит без теплообмена с окружающей средой. [c.27] Используя Т, -диаграмму состояния воздуха [13], получаем, что в случае дросселирования конечная температура Т2 составит 267 К, а при расширении в детандере— 100 К. [c.27] Таким образом, применив детандер вместо дросселя, можно получить существенно более низкую при прочих равных условиях температуру, чем в случае дросселирования. Однако этот теоретически весьма эффективный и на первый взгляд простой способ понижения температуры оказалось чрезвычайно трудно реализовать на практике. [c.27] Первые поршневые воздушные машины для получения низких температур были построены в 1840—1850 гг. [1]. Но более существенного по сравнению с другими известными способами понижения температуры достигнуть в них тогда не удалось. Этому препятствовал ряд технических трудностей, о которых рассказывается ниже. [c.27] В 1857 г. Сименс предложил оригинальную схему ожижения с использованием поршневого детандера. Эта схема (рис. 7) заслуживает более подробного рассмотрения. Сжатый газ по центральной трубе 1 поступает в цилиндр поршневого детандера 2, расширя- тся с отдачей работы на поршень, ох-лаждается и идет по трубе 3 противотоком прямому потоку. [c.27] Сконденсировавшаяся часть собирается в отделителе жидкости 4, откуда может быть слита через вентиль 5. Обратный поток служит для охлаждения сжатого газа, поступающего в цилиндр машины. Работа, получаемая при расширении, используется для привода электрогенератора 6. [c.28] В схеме Сименса сочетаются две блестящие идеи применение машины (пневмодвигателя) для производства холода и использование полученного холода для понижения температуры поступающего газа. И все же Сименсу не удалось понизить температуру воздуха настолько, чтобы произошла его конденсация. [c.28] Казалось, технические трудности, возникающие на пути использования детандера, делают его применение бесперспективным. Вот что писал по этому поводу в 1896 г. известный ученый, построивший первый в мире промышленный ожижитель воздуха, профессор Мюнхенского университета К. Линде Практическое осуществление этого процесса (теоретически неоспоримого) является сомнительным по следующим причинам. Предположим, что в этом процессе был бы применен атмосферный воздух при той температуре, которая нужна для его ожижения при этой температуре все вещества, содержащиеся в воздухе в качестве примесей вода, двуокись углерода и т. п., так же как и остатки применяемых смазывающих материалов, перешли бы в твердое состояние. В этих условиях стала бы невозможной работа цилиндра расширения и его распределительных механизмов. Те лица, которым приходилось работать при таких низких температурах, знают по опыту, насколько трудно в этих условиях управление даже простым вентилем. Вместе с тем было бы чрезвычайно трудно или даже невозможно защитить с необходимой для этих низких температур тщательностью как сам цилиндр расширения, так и его механизмы от влияния внешнего тепла, и, следовательно, этот способ совершенно непригоден для достижения этих низких температур [И]. [c.28] С целью улучшения условий работы поршневого детандера Ж. Клод подверг схему дальнейшему усовершенствованию. Его новая схема (рис. 8,6) сочетала в себе уже два способа охлаждения расширение в детандере и дросселирование. Эта схема оказалась настолько удачной, что ее стали успешно применять не только для ожижения воздуха, но и с небольшими изменениями (с использованием дополнительного охлаждения прямого потока) для ожижения других газов, таких как, например, водород, гелий и т. д. [c.30] В новой схеме Клода (рис. 8,6) прямой поток проходит теплообменник 1 и делится, как и в предыдущем случае (рис. 8,с), на две части. Одна поступает в детандер 2, охлаждается при расширении и идет противотоком в теплообменники 3 к 1. Другая часть прямого потока проходит теплообменник 3, где дополнительно охлаждается, и поступает на дросселирование. При дросселировании давление и температура воздуха понижаются и происходит его конденсация. Теперь в детандере не обязательно получать даже такую температуру, которая обеспечила бы конденсацию прямого потока в теплообменнике 3. Другими словами, в теплообменнике 3 теперь не обязательно добиваться конденсации воздуха прямого потока, а необходимо только охладить его до такой температуры, чтобы при последующем дросселировании наступила конденсация. [c.30] остроумно используя сочетание различных способов охлаждения, Ж. Клоду удалось построить высокоэффективную схему ожижения. [c.30] Из рассмотрения схем на рис. 8 становится ясной важность включения противоточного теплообменника. Роль теплообменных аппаратов в схемах криогенных установок весьма велика, и этот вопрос мы специально рассмотрим в 7. [c.30] Интересно отметить, что идея использования турбины для охлаждения газа, высказанная еще в 1898 г. Рэлеем и Трупном, была реализована только в 30-х годах нашего столетия. Наиболее удачный турбодетандер разработал в 1938 г. академик П. Л. Капица [1, 13, 17]. [c.30] Вернуться к основной статье