В обратных термодинамических циклах

Сжатие газа − важнейший процесс криогенного цикла. Процессы сжатия реализуются в компрессорах и могут протекать в машинах различных типов по-разному, с различной степенью необратимости. Газ можно охлаждать одновременно со сжатием или сразу после компрессора в концевых холодильниках.

Рассмотрим изотермический процесс сжатия реального газа в Т− s диаграмме.

Запишем 1-й закон термодинамики для проточной системы, примером которой является компрессор.

                        (16)

Изменение энтальпии в процессе 1 − 2 (рис. 10) будет эквивалентно на диаграмме площади 1−0−с−а.

Теплота, отводимая от сжимаемого газа, на диаграмме эквивалентна площади 1−2− b −а.

Таким образом, работа сжатия на диаграмме будет эквивалентна площади b −2−1−0−с.

Следовательно, компрессор в совокупности со своей системой охлаждения обеспечивает создание холодопроизводительности в цикле, которая может быть получена в результате дросселирования.

Рис. 10. Изображение процесса изотермического сжатия в T − s координатах

 

Рис. 11. Изображение процесса изоэнтропного сжатия
и последующего охлаждения в T − s координатах

На практике процесс изотермического сжатия осуществить невозможно, поэтому адиабатическое сжатие рассматривают как процесс наиболее приближенный к реальному процессу с последующим охлаждением газа в концевом холодильнике до температур несколько более высоких, чем температура всасываемого в компрессор газа. в Т−s диаграмме (рис. 11) такой совокупный процесс будет выглядеть следующим образом:

1−2 _s − процесс адиабатического сжатия в компрессоре;

2 _s −2 − охлаждение в концевом холодильнике до Т _н.

Работа сжатия в изоэнтропном процессе на диаграмме эквивалентна площади d−f−2_s−a, а количество теплоты, которое требуется отвести от сжатого газа для того, чтобы его температура стала равна первоначальной, на диаграмме эквивалентна площади a−2_s−2−b → .

Изоэнтропное сжатие создает в криогенном цикле такую же холодопроизводительность, что и в изотермическом процессе  → d − f −2− b.

Сжатие до высоких давлений осуществляют ступенчато с охлаждением газа в межступенчатых холодильниках (рис. 12).

Рис. 12. Изображение процесса трехступенчатого изоэнтропного сжатия
и последующего охлаждения в T − s координатах

количество теплоты, которое требуется отвести от сжимаемого в многоступенчатом изоэнтропном процессе газа эквивалентно площади фигуры:

q → a^I −2 _S ^I −1 ^II −2 _S ^II −1 ^III −2 _S ^III −2− b^III.

Работа, которая затрачивается на осуществления процесса сжатия, эквивалентна суммарной площади фигур:

l → (a^I −2 _S ^I − f^I − d^I)+(a^II −2 _S ^II − f^II − d^II)+(a^II −2 _S ^III − f^III − d^III).

Таким образом, холодопроизводительность, создаваемая многоступенчатым изоэнтропным компрессором, будет эквивалентна

 → (d^I − f^I −1 ^II − a^II)+(d^II − f^II −1 ^III − a^III)+(d^III − f^III −2− b^III).

 

Контрольные вопросы и задания:

1. Кратко опишите основные методы внешнего и внутреннего охлаждения.

2. Покажите в T − s диаграмме изменение энтропии в процессах внешнего и внутреннего охлаждения.

3. Как определяется работа компрессора при изотермическом и изоэнтропном сжатии?

4. Как определяется теплота, отводимая от рабочего вещества при изотермическом сжатии?

5. Как определяется теплота, отводимая от рабочего вещества после изоэнтропного сжатия?

6. Какие процессы для получения низких температур являются холодопроизводящими, а какие − нехолодопроизводящими?

7. Определить давление газообразного водорода в конце изотермического сжатия его в компрессоре криогенной системы, если начальное давление составляет 0,1 МПа, начальная температура 50 К, а приращение энтропии равно 30 КДж/(моль).