Термодинамічні засади кріогенної техніки

Июль 31, 2022

Главная
Физика
Термодинамічні засади кріогенної техніки

Содержание

2. Термодинамічні засади кріогенної техніки Поняття мінімальної роботи Визначення мінімальної роботи для різних типових процесів кріогеніки Втрати
3. Поняття мінімальної роботи Загальна витрата енергії у кріогенній установці: L = Lmin + ΔL Lmin –
4. Поняття мінімальної роботи У кріогенних системах ΔL >> Lmin
5. Поняття мінімальної роботи Питомі витрати роботи – на 1 кг робочого тіла: l = L/G =
6. Поняття мінімальної роботи Мінімальна робота визначається у різний спосіб для типових процесів кріогеніки: Термостатування Охолодження Зрідження
7. Термостатування Мета – підтримувати температуру об’єкта чи речовини на сталому рівні ( Засіб – відведення теплоти
8. Термостатування Ідеальна система термостатування К1, К2 – компресори; Д1, Д2 – детандери
9. Термостатування Ідеальна система термостатування у області вологої пари (ізобари = ізотерми) К1, К2 – компресори; Т1,
10. Термостатування Мінімальна робота циклу lmin = qк – qx lmin = (lк + l´к) – (lд
11. Охолодження Мета – знизити температуру речовини (найчастіше газу) від Tх1 до Тх2 ( Засіб – відведення
12. Охолодження Якщо вважати теплообмінник ТОА ідеальним, то qх = hх1 – hх2 = h4 – h3
13. Розділення газової суміші З термодинамічної точки зору розділення аналогічне стисненню кожного компонента суміші від парціального тиску
14. Розділення газової суміші Мінімальна робота розділення суміші (на 1 моль): де Rμ = 8,31 Дж/(моль·К) —
15. Зрідження та кристалізація Мета – знизити температуру речовини до температури фазового переходу та здійснити фазовий перехід,
16. Зрідження та кристалізація Для чистої речовини фазовий перехід за сталого тиску проходить при сталій температурі –
17. Зрідження та кристалізація Для суміші зниження парціального тиску компонента під час зрідження чи кристалізації призводить до
18. Зрідження та кристалізація Ідеальна система зрідження з окремим робочим тілом
19. Зрідження та кристалізація Ідеальна система зрідження без окремого робочого тіла (розімкнений цикл)
20. Зрідження та кристалізація Мінімальна робота зрідження газу виконана у процесі 1 – 2 – f становить:
21. Зрідження та кристалізація Мінімальна робота зрідження газу: lmin = То(s1-sf) – (h1 – hf) Мінімальна робота
22. Зрідження та кристалізація Стискання слід вести до ентропії s2 = sf Для більшості газів відповідне значення
23. Зрідження та кристалізація Питомі роботи зрідження деяких газів від стану р = 0,1 МПа, Т =
24. Втрати у кріогенних системах Дійсна робота значно перевищує мінімальну Причина – різноманітні втрати: через недорекуперацію через
25. Втрати через недорекуперацію Причина – неідеальність процесів у теплообмінни-ках, потреба у хоч якомусь температурному напорі. Шляхи
26. Втрати через теплонадходження Причина – неідеальність теплоізоляції апаратів, різниця температур у апараті і довкілля Шляхи зменшення
27. Гідравлічні втрати Причина – тертя рідин та газів у каналах Шляхи зменшення – оптимізація гідравлічних схем
28. Втрати у компресорах, детандерах, насосах Причина – необоротність процесів у компресорах, детандерах, насосах (міра необоротності визначається
29. Інші втрати Причина – витікання газу через нещільності, тепловиділення під час деяких процесів у низькотемпературній зоні
30. Показники ефективності 1. Реальна затрата роботи на одиницю маси стискуваного газу, lр За їх допомогою оцінюють
31. Показники ефективності 3. Холодильний коефіцієнт циклу qx – питома холодопродуктивність даного циклу lр – дійсна питома
32. Показники ефективності 4. Термодинамічний (ексергетичний) ККД циклу lmin – мінімальна питома робота для даного процесу lр
33. Показники ефективності Холодильний коефіцієнт ідеального циклу Тх, Т0 – відповідно нижній та верхній температурні рівні циклу,
35. Скачать презентацию

Слайд 2

Термодинамічні засади кріогенної техніки
Поняття мінімальної роботи
Визначення мінімальної роботи для

різних типових процесів кріогеніки
Втрати у кріогенних системах
Показники ефективності кріогенних систем

Слайд 3

Поняття мінімальної роботи
Загальна витрата енергії у кріогенній установці:
L = Lmin +

ΔL

Lmin – мінімальна витрата енергії, необхідна для здійснення ідеальних (оборотних) процесів, тобто роботи термодинамічно ідеальної системи;
ΔL – витрати енергії на компенсацію втрат у реальних процесах

Слайд 4

Поняття мінімальної роботи
У кріогенних системах
ΔL >> Lmin

Слайд 5

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

= L/G = lmin + Δl

lmin – мінімальна питома робота для термодинамічно ідеальної системи;
Δl – питомі витрати роботи на компенсацію втрат у реальних процесах

Слайд 6

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

кріогеніки:

Термостатування
Охолодження
Зрідження та кристалізація
Розділення газової суміші

Слайд 7

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

120 K)

Засіб – відведення теплоти від теплонадходжень на вищий температурний рівень, як правило, у довкілля (близько 300 К)

Слайд 8

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

Слайд 9

Термостатування
Ідеальна система термостатування
у області вологої пари (ізобари = ізотерми)
К1, К2

– компресори; Т1, Т2 – теплообмінники (Р,Т=const)

Слайд 10

Термостатування
Мінімальна робота циклу
lmin = qк – qx
lmin = (lк

+ l´к) – (lд + l´д)

qк = To(s1 – s2), qх = Tx(s4 – s3)

lmin = (To – Tx)(s1 – s2)

З урахуванням того, що (s4 – s3) = (s1 – s2):

Слайд 11

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

(< 120 K)

Засіб – відведення теплоти від газу у ізобарному теплообміннику TOA

Слайд 12

Охолодження
Якщо вважати теплообмінник ТОА ідеальним, то
qх = hх1 – hх2 =

h4 – h3
З рівняння теплового балансу системи:

lк + l`к – lд = lmin = qк – qx

звідки мінімальна робота охолодження:
lmin = To(s1 – s2) – (h4 – h3)

Слайд 13

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

Слайд 14

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

Rμ = 8,31 Дж/(моль·К) — універсальна газова стала; Т0 — початкова температура суміші, К;
xi — молярна частка у суміші і-го компонента

Слайд 15

Зрідження та кристалізація
Мета – знизити температуру речовини до температури фазового переходу

та здійснити фазовий перехід, відводячи теплоту

Для чистої речовини фазовий перехід за сталого тиску проходить при сталій температурі, отже це – аналог термостатування

Для суміші зниження парціального тиску компонента призводить до зниження температури фазового переходу

Слайд 16

Зрідження та кристалізація
Для чистої речовини фазовий перехід за сталого тиску проходить

при сталій температурі – аналог термостатування

Слайд 17

Зрідження та кристалізація
Для суміші зниження парціального тиску компонента під час зрідження

чи кристалізації призводить до зниження температури цього фазового переходу

Слайд 18

Зрідження та кристалізація
Ідеальна система зрідження з окремим робочим тілом

Слайд 19

Зрідження та кристалізація
Ідеальна система зрідження без окремого робочого тіла (розімкнений цикл)

Слайд 20

Зрідження та кристалізація
Мінімальна робота зрідження газу виконана у процесі 1 –

2 – f становить:

lmin = lк – lд. = То(s1-s2) – (h1 – h2) – (h2 – hf)
lmin = То(s1-sf) – (h1 – hf)

lmin = qк – qх = То(s1-sf) – (h1 – hf)

З іншого боку, для ізобарного процесу f – 3 – 1 :

Слайд 21

Зрідження та кристалізація
Мінімальна робота зрідження газу:
lmin = То(s1-sf) – (h1 –

hf)

Мінімальна робота зрідження не залежить від тиску стиснення, а залежить лише від початкових параметрів і виду газу

Слайд 22

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

Слайд 23

Зрідження та кристалізація
Питомі роботи зрідження деяких газів від стану р =

0,1 МПа, Т = 300 К, кВт⋅год/кг

Слайд 24

Втрати у кріогенних системах
Дійсна робота значно перевищує мінімальну
Причина – різноманітні

втрати:
через недорекуперацію
через теплонадходження з довкілля
гідравлічні
у компресорах, детандерах, насосах
інші

Слайд 25

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

qнр=срΔTнр

Теплий потік газу не в повній мірі охолоджується холодним потоком

Слайд 26

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

qтн= ΣkFзовн(Тзовн-Твн)

Підвищують ентальпію газу та його температуру

Слайд 27

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 тиску у трубопроводах, каналах, зменшують різницю тисків (p1 – p2) , знижують фактичну холодопродуктивність

Слайд 28

Втрати у компресорах, детандерах, насосах
Причина – необоротність процесів у компресорах, детандерах,

насосах (міра необоротності визначається ККД машини)
Шляхи зменшення – вибір якомога ефективнішого обладнання

Зростання ентропії газу, додаткові тепловиділення, недоохолодження

Слайд 29

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

Слайд 30

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

їх допомогою оцінюють міру досконалості реальної кріогенної системи

у – вихід зрідженого газу

Слайд 31

Показники ефективності
3. Холодильний коефіцієнт циклу
qx – питома холодопродуктивність даного циклу
lр –

дійсна питома робота для даного циклу

Слайд 32

Показники ефективності
4. Термодинамічний (ексергетичний) ККД циклу
lmin – мінімальна питома робота для

даного процесу
lр – дійсна питома робота для даного циклу
εід – холодильний коефіцієнт ідеального циклу

Слайд 33

Показники ефективності
Холодильний коефіцієнт ідеального циклу
Тх, Т0 – відповідно нижній та верхній

температурні рівні циклу, К (зазвичай верхній рівень відповідає температурі довкілля, а нижній – температурі об’єкта).

для систем зрідження:

для рефрижераторних систем
(зворотний цикл Карно):

Термодинамічні засади кріогенної техніки

Содержание

Термодинамічні засади кріогенної техніки Поняття мінімальної роботи Визначення мінімальної роботи для

Поняття мінімальної роботиЗагальна витрата енергії у кріогенній установці:L = Lmin +

Поняття мінімальної роботиУ кріогенних системахΔL >> Lmin

Поняття мінімальної роботиПитомі витрати роботи – на 1 кг робочого тіла:l

Поняття мінімальної роботиМінімальна робота визначається у різний спосіб для типових процесів

ТермостатуванняМета – підтримувати температуру об’єкта чи речовини на сталому рівні (<

ТермостатуванняІдеальна система термостатуванняК1, К2 – компресори; Д1, Д2 – детандери

ТермостатуванняІдеальна система термостатування у області вологої пари (ізобари = ізотерми)К1, К2

ТермостатуванняМінімальна робота циклу lmin = qк – qx lmin = (lк

ОхолодженняМета – знизити температуру речовини (найчастіше газу) від Tх1 до Тх2

ОхолодженняЯкщо вважати теплообмінник ТОА ідеальним, тоqх = hх1 – hх2 =

Розділення газової суміші З термодинамічної точки зору розділення аналогічне стисненню кожного

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

Зрідження та кристалізаціяМета – знизити температуру речовини до температури фазового переходу

Зрідження та кристалізаціяДля чистої речовини фазовий перехід за сталого тиску проходить

Зрідження та кристалізаціяДля суміші зниження парціального тиску компонента під час зрідження

Зрідження та кристалізаціяІдеальна система зрідження з окремим робочим тілом

Зрідження та кристалізаціяІдеальна система зрідження без окремого робочого тіла (розімкнений цикл)

Зрідження та кристалізаціяМінімальна робота зрідження газу виконана у процесі 1 –

Зрідження та кристалізаціяМінімальна робота зрідження газу:lmin = То(s1-sf) – (h1 –

Зрідження та кристалізаціяСтискання слід вести до ентропії s2 = sf Для

Зрідження та кристалізаціяПитомі роботи зрідження деяких газів від стану р =

Втрати у кріогенних системах Дійсна робота значно перевищує мінімальнуПричина – різноманітні

Втрати через недорекуперацію Причина – неідеальність процесів у теплообмінни-ках, потреба у

Втрати через теплонадходження Причина – неідеальність теплоізоляції апаратів, різниця температур у

Гідравлічні втратиПричина – тертя рідин та газів у каналахШляхи зменшення –

Втрати у компресорах, детандерах, насосахПричина – необоротність процесів у компресорах, детандерах,

Інші втратиПричина – витікання газу через нещільності, тепловиділення під час деяких

Показники ефективності1. Реальна затрата роботи на одиницю маси стискуваного газу, lрЗа

Показники ефективності3. Холодильний коефіцієнт циклуqx – питома холодопродуктивність даного циклуlр –

Показники ефективності4. Термодинамічний (ексергетичний) ККД циклуlmin – мінімальна питома робота для

Показники ефективностіХолодильний коефіцієнт ідеального циклуТх, Т0 – відповідно нижній та верхній

Похожие презентации