Анализ применения турбодетандерных агрегатов в системах энергосбережения природного газа

СОДЕРЖАНИЕ:                              

1.     Газы и  сжижение газов.

2.     Адиабатный  процесс.

3.     Низкие температуры.

4.     Измерение  криогенных температур.

5.     Криогенная  техника.

6.   Литература.

Сжижение газов

Газы (французское gaz; название предложено голландским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Газы обладают рядом характерных свойств. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газы существенно зависит от давления и температуры.

Диаграмма состояния вещества  рис.1:

Любое вещество можно перевести  в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р - температура Т (в р, Т-диаграмме, рис. 1). При температурах ниже критической Тк эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) / и парообразования II. Это означает, что при любом давлении ниже критического рк существует температура  Т (см. рис. 1), определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой 1  (ниже тройной точки Tp)газ находится в равновесии с твёрдым веществом (твёрдой фазой), а на кривой II (между тройной и критической точкой  К.) - с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества. При температурах ниже Тк можно сконденсировать газ. - перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение газа в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации газа имеют важное техническое значение. При Т > Тк граница газообразной области условна, поскольку при этих температурах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между газом. и жидкостью при сверхкритических температурах и давлениях принимают критическую изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объёма, см. рис. 4), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро. В связи с тем что область газового состояния очень обширна, свойства газовь при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать газом, обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~109 г/см3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства газов - теплопроводность, вязкость и т. д.

     Сжижение газов  -  переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Оно достигается охлаждением их ниже критической температуры ъ и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования

Адиабатный процесс

Адиабатный процесс - процесс, происходящий в физической системе без теплообмена с окружающей средой. Адиабатный процесс можно осуществить в системе, окруженной теплоизолирующей (адиабатной) оболочкой. Пример такого адиабатного процесса - рабочий такт тепловой машины, при котором газ (пар) расширяется в цилиндре с теплоизолирующими стенками и поршнем, при отсутствии необратимых превращений работы трения в теплоту.

Адиабатный процесс можно  реализовать и при отсутствии адиабатной оболочки; для этого он должен протекать настолько быстро, чтобы за время процесса не произошло теплообмена между системой и окружающей средой. Так происходит, например, сжатие газа ударной волной, при котором газ, не успевая отдать выделившуюся теплоту, сильно нагревается. При скорости волны порядка 1  км/сек (скорости, достигнутой современными сверхзвуковыми самолётами) и сжатии воздуха под действием ударной волны в 4 раза температура воздуха повышается до 700 С. Адиабатное расширение газа с совершением работы против внешних сил и сил взаимного притяжения молекул вызывает его охлаждение.  Такое охлаждение газов лежит в основе процесса сжижения газов  Адиабатный процесс размагничивания парамагнитных солей позволяет получить температуры, близкие к абсоллютному нулю. Адиабатные процессы могут протекать обратимо и необратимо. В случае обратимого адиабатного процесса энтропия системы остаётся постоянной. Поэтому обратимый адиабатный процесс  называют ещё изоэнтропийным. На диаграмме состояния системы он изображается кривой, называемой адиабатой, или    изоэнтропой. В необратимых адиабатных процессах энтропия возрастает.

Низкие температуры

Низкие температуры - криогенные температуры, обычно температуры, лежащие  ниже точки кипения жидкого воздуха (около 80 К). Такие температуры принято отсчитывать от абсолютного нуля температуры (-273,15 С, или 0 К) и выражать в кельвинах (К). На 13-м конгрессе Международного института холода в 1971 была принята рекомендация, согласно которой криогенными температурами следует называть температуры ниже 120 К. Однако эта рекомендация ещё не получила широкого распространения; в данной статье рассматриваются низкие температуры границей ~ 80 К. Получение низких температур. Для получения и поддержания низких температур обычно используют сжиженные газы. В сосуде Дьюара, содержащем сжиженный газ, испаряющийся под атмосферным давлением, достаточно хорошо поддерживается постоянная температура нормального кипения Tn хладоагента. Практически применяют следующие хладоагенты (сжиженные газы): воздух (T N = 80 К), азот (Tn = 77,4 К), неон (TN = 27,1 К), водород (TN = 20,4 К), гелий (TN = 4,2 К). Для получения жидких газов служат специальные установки - ожижители, в которых сильно сжатый газ при расширении до обычного давления охлаждается и конденсируется. Сжиженные газы могут сохраняться достаточно долго в сосудах Дьюара и криостатах с хорошей теплоизоляцией (порошковые и пористые теплоизоляторы, например пенопласты). Откачивая испаряющийся газ из герметизированного сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью и тем самым понижать температуру её кипения. Т. о., изменением давления паров над кипящей жидкостью можно регулировать ёё температуру. Естественная или принудительная конвекция и хорошая теплопроводность хладоагента обеспечивают при этом однородность температуры во всём объёме жидкости. Таким путём удаётся перекрыть широкий диапазон температур: от 77 К до 63 К с помощью жидкого азота, от 27 К до 24 К - жидкого неона, от 20 К до 14 К - жидкого водорода, от 4,2 К до 1 К – жидкого гелия. Методом откачки нельзя получить температуру ниже тройной точки хладоагента. При более низких температурах вещество затвердевает и теряет свои качества хладоагента. Промежуточные температуры, лежащие между указанными выше интервалами, достигаются в специальных криостатах. Охлаждаемый объект теплоизолируют от хладоагента, например, помещают его внутрь вакуумной камеры, погруженной в сжиженный газ. При небольшом контролируемом выделении теплоты в камере (в ней имеется электрический нагреватель) температура исследуемого объекта повышается по сравнению с температурой кипения хладоагента и может поддерживаться с высокой стабильностью на требуемом уровне. В др. способе получения промежуточных температур охлаждаемый образец помещают над поверхностью испаряющегося хладоагента и регулируют скорость испарения жидкости нагревателем. Отвод теплоты от исследуемого объекта здесь осуществляет поток откачиваемого газа. Применяется также метод охлаждения, при котором холодный газ, получаемый при испарении хладоагента, прогоняется через теплообменник (обычно медная трубка, свитая в спираль, или блок пористой меди), находящийся в тепловом контакте с охлаждаемым объектом. Гелий при атмосферном давлении остаётся жидким вплоть до абсолютного нуля температуры. Однако при откачке паров жидкого 4He обычно не удаётся получить температуру существенно ниже 1 К даже с помощью очень мощных насосов (этому мешают чрезвычайно малая упругость насыщенных паров 4He и его сверхтекучесть). Поэтому для достижения температур порядка десятых долей

Кельвина употребляют  изотоп гелия 3He (Tn = 3,2 К), который не является сверхтекучим при данных температурах. Откачивая испаряющийся 3He, удаётся понизить температуру жидкости до 0,3 К.

Область температур ниже 0,3 К принято называть сверхнизкими температурами . Для получения таких температур применяются различные методы. Методом адиабатического размагничивания (магнитного охлаждения) с применением парамагнитной соли в качестве охлаждающей системы удаётся достичь Н. т. ~ 10 -3 К. Тем же методом с использованием парамагнетизма атомных ядер были достигнуты Н. т. ~ 10-6 К. Принципиальную проблему в методе адиабатического размагничивания (как, впрочем, и в др. методах получения низких температур) составляет осуществление хорошего теплового контакта между объектом, который охлаждают, и охлаждающей системой. Особенно это трудно достижимо в случае системы атомных ядер. Совокупность ядер атомов можно охладить до сверхнизких температур, но добиться такой же степени охлаждения вещества, содержащего эти ядра, не удаётся.

Для получения температур порядка нескольких мК теперь широко пользуются более удобным методом - растворением жидкого 3He в жидком 4 He. Применяемая для этой цели установка называется рефрижератором растворения. Действие рефрижераторов растворения основано на том, что 3He сохраняет конечную растворимость (около 6%) в жидком 4He вплоть до абсолютного нуля температуры. Поэтому при соприкосновении почти чистого жидкого 3He с разбавленным раствором 3He в 4He атомы 3He будут переходить в раствор. При этом поглощается теплота растворения, и температура раствора понижается. Растворение осуществляется в одном месте прибора (в камере растворения), а удаление атомов 3He из раствора путём откачки - в другом (в камере испарения). При непрерывной циркуляции 3He, осуществляемой системой насосов и теплообменников, можно поддерживать в камере растворения температуру ~ 10-30 мК. Неограниченно долго. Холодопроизводительность таких рефрижераторов определяется производительностью насосов, а предельно достижимая низкая температурыа (несколько мК) - эффективностью теплообменников и устранением паразитного притока теплоты. Гелий 3He можно охладить ещё сильнее, используя эффект Померанчука. Жидкий 3He затвердевает при давлениях более 30 бар. В области температур ниже 0,3 К увеличение давления (в пределе до 34 бар) сопровождается поглощением теплоты и понижением температуры равновесной смеси жидкой и твёрдой фаз (затвердевание идёт с поглощением теплоты). Таким путём были достигнуты температуры ~1-2 мК

ЛИТЕРАТУРА:

1.      Фастовский  В. Г., Петровский Ю. В., Ровинский А. Е., Криогенная техника, 2 изд., М., 2004;

2.      Справочник  по физико-техническим основам  криогеники, 2 изд., М., 2003.

3.      А. Б.  Фрадков.

4.      Физика  низких температур, пер. с англ. под общ. ред. А. И. Шальникова, М., 2009;

5.      Уайт Г.  К., Экспериментальная техника в физике низких температур, пер. с англ., М., 2001;

6.      Земанский М., Температуры очень низкие и очень высокие, пер. с англ., М., 2008;