Термодинамічні засади кріогенної техніки презентация

КРІОГЕННА ТЕХНІКА І ТЕХНОЛОГІЯ Лекція 3

Термодинамічні засади кріогенної техніки Поняття мінімальної роботи Визначення мінімальної роботи для різних типових процесів кріогеніки Втрати у кріогенних системах Показники ефективності кріогенних систем

Поняття мінімальної роботи Загальна витрата енергії у кріогенній установці:

Поняття мінімальної роботи У кріогенних системах

Поняття мінімальної роботи Питомі витрати роботи – на 1 кг робочого тіла:

Поняття мінімальної роботи Мінімальна робота визначається у різний спосіб для типових процесів кріогеніки:

Термостатування Мета – підтримувати температуру об’єкта чи речовини на сталому рівні (< 120 K)

Термостатування Ідеальна система термостатування К1, К2 – компресори; Д1, Д2 – детандери

Термостатування Ідеальна система термостатування у області вологої пари (ізобари = ізотерми) К1, К2 – компресори; Т1, Т2 – теплообмінники (Р,Т=const)

Термостатування

Охолодження Мета – знизити температуру речовини (найчастіше газу) від Tх1 до Тх2 (< 120 K)

Охолодження Якщо вважати теплообмінник ТОА ідеальним, то qх = hх1 – hх2 = h4 – h3 З рівняння теплового балансу системи:

Розділення газової суміші З термодинамічної точки зору розділення аналогічне стисненню кожного компонента суміші від парціального тиску рі (пропорційний молярній частці цього компонента хі) до загального тиску суміші рс

Розділення газової суміші Мінімальна робота розділення суміші (на 1 моль):

Зрідження та кристалізація Мета – знизити температуру речовини до температури фазового переходу та здійснити фазовий перехід, відводячи теплоту

Зрідження та кристалізація

Зрідження та кристалізація

Зрідження та кристалізація

Зрідження та кристалізація

Зрідження та кристалізація Мінімальна робота зрідження газу виконана у процесі 1 – 2 – f становить:

Зрідження та кристалізація Мінімальна робота зрідження газу:

Зрідження та кристалізація Стискання слід вести до ентропії s2 = sf Для більшості газів відповідне значення тиску р2=100…200 ГПа Сучасні системи працюють з р2=10…20 МПа Далі ентропію знижують охолоджуючи газ

Зрідження та кристалізація Питомі роботи зрідження деяких газів від стану р = 0,1 МПа, Т = 300 К, кВтгод/кг

Втрати у кріогенних системах Дійсна робота значно перевищує мінімальну Причина – різноманітні втрати: через недорекуперацію через теплонадходження з довкілля гідравлічні у компресорах, детандерах, насосах інші

Втрати через недорекуперацію Причина – неідеальність процесів у теплообмінни-ках, потреба у хоч якомусь температурному напорі. Шляхи зменшення – збільшувати площу поверхні теплообміну та коефіцієнт теплопередачі ТОА

Втрати через теплонадходження Причина – неідеальність теплоізоляції апаратів, різниця температур у апараті і довкілля Шляхи зменшення – вдосконалювати теплоізоляцію, зменшувати площу контакту з довкіллям, знижувати температуру довкілля

Гідравлічні втрати Причина – тертя рідин та газів у каналах Шляхи зменшення – оптимізація гідравлічних схем установок, так, щоб втрати тиску не перевищували : для потоку низького тиску – Δр1 = 20…40 кПа, для потоку високого тиску – Δр2 = 100…300 кПа (р2 > 1 МПа) або Δр2 = 30…60кПа (р2 < 1 МПа)

Втрати у компресорах, детандерах, насосах Причина – необоротність процесів у компресорах, детандерах, насосах (міра необоротності визначається ККД машини) Шляхи зменшення – вибір якомога ефективнішого обладнання

Інші втрати Причина – витікання газу через нещільності, тепловиділення під час деяких процесів у низькотемпературній зоні (конверсія, відігрівання, адсорбція тощо) Шляхи зменшення – оптимізація конструкцій установок та способів їх експлуатації

Показники ефективності 1. Реальна затрата роботи на одиницю маси стискуваного газу, lр

Показники ефективності 3. Холодильний коефіцієнт циклу

Показники ефективності 4. Термодинамічний (ексергетичний) ККД циклу

Показники ефективності Холодильний коефіцієнт ідеального циклу

Дякую за увагу!