Идеальный процесс конденсации газов, для которых Т о.с» Т кр, может быть проведен тремя методами. Нагляднее эти методы можно отобразить на T, s -диаграмме (см. рис.2.3).
Рис.2.3. Теоретические процессы сжижения воздуха на T, s -диаграмме:
а) 1-2-3 – охлаждением без предварительного сжатия;
б) 1-6-8-3 – охлаждением с предварительным сжатием воздуха;
в) 1-11-3 – изотермным сжатием и адиабатным расширением;
Т тт – температура тройной точки
Пусть начальное состояние воздуха соответствует условиям окружающей среды. На диаграмме это параметры в т.1 (Т 1= Т о.с@288 К; Р 1@0,1 МПа). Тогда, получение жидкого воздуха при том же давлении (в т.3 Р 3= Р 1), возможно следующими способами:
1) охлаждением воздуха без предварительного сжатия. В этом способе при неизменном давлении (Р 1= const) от воздуха отводится теплота (процесс 1-2). Температура снижается от Т о.с до начала фазового перехода в т.2. Теплота охлаждения отводится в окружающую среду какой-либо вспомогательной холодильной или криогенной установкой.
Если в области влажного пара и дальше отводить теплоту, то при неизменной температуре будет происходить конденсация воздуха – процесс 2-3. В конце этого процесса весь газ перейдет в жидкость с параметрами т.3. Теплота конденсации: q к= i 2- i 3.
На весь переход от газа к жидкости количество теплоты, которое надо отвести от воздуха, будет q ож= i 1 – i 3, а минимальная затраченная работа равна l ож= e 3- e 1 (разность эксергий). Если воздух охлаждать дальше, то в т.4 появится твердая фаза – шуга, а в т. 5 воздух полностью перейдет в твердое состояние;
2) сочетанием охлаждения с предварительным изотермическим сжатием. В этом процессе часть теплоты у газа отводится в процессе изотермического сжатия (процесс 1-6). Затем теплота отводится в изобарном процессе охлаждения (процесс 6-7).
Заметим, что если конечное давление изотермического сжатия меньше критического (
< Р кр), то процесс сжижения будет аналогичен 1-му способу. Только конденсация будет протекать при температуре более высокой, чем при 1-м способе. И чем больше это давление, тем выше температура сжижения и меньше теплота конденсации q к.
При 
> P кр сжижение наступает уже при достижении критической температуры Т кр (в т.7) и в этом случае теплота конденсации q к=0. При дальнейшем изобарном охлаждении в т.9 появится шуга, а в т.10 воздух перейдет в твердое состояние. (Линия 9-10 лежит на линии 4-5, т.е. при Т тт);
3) изотермическим сжатием с последующим адиабатным расширением до конечного давления Р о.с. Из диаграммы видно, что чем выше давление предварительного (изотермического) сжатия, тем большую долю теплоты сжижения q ож можно отвести при температуре окружающей среды Т о.с.
Можно представить себе такой процесс, когда вся теплота q ож отводится при Т о.с. Для этого газ изотермически необходимо сжать до такого давления Р 11 (процесс 1-11), чтобы при адиабатном его расширении до Р о.с получить жидкость с параметрами т.3 (процесс 11-3).
Чтобы получить твердую фазу, газ необходимо сжимать до давления Р12, с тем, чтобы при адиабатном расширении получить параметры т.10 (т.5).
В этом способе вся работа сжижения l ож= e 3- e 1= e 11- e 1 идет только на сжатие воздуха. Но чтобы реализовать этот метод, нужны сверхвысокие давления. Для воздуха, например, это давление превышает 45 ГН/м2 (45000 МПа), что реализовать нереально. Поэтому для воздуха такой метод неприменим.
Этот способ сжижения применяется для тех газов, у которых Т кр близка Т о.с (например, СО2), т.е. в установках работающих в области холодильной техники (а не криогеники).
На практике используются 1-й и 2-й способы сжижения.
В 1-м – нужны дополнительные холодильные устройства и поэтому это, как правило, малопроизводительные лабораторные или полупромышленные установки.
Все промышленные установки по сжижению воздуха работают по 2-му способу, т.е. сжижение осуществляется охлаждением с предварительным сжатием. В качестве охладителя используется часть сжиженного газа, хотя могут использоваться и вспомогательные холодильные машины.
Теоретически суммарная работа сжижения во всех трех случаях одинакова (при одинаковых начальных и конечных параметрах воздуха). Это теоретически минимальная работа l мин. Наиболее удобно ее определять как разность эксергий воздуха при конечных параметрах: l мин= e 3- e 1. Сравнивая эту работу с затратами энергии в реальных установках, можно оценить их эффективность.
Эксергии вычисляются по известным соотношениям [1]:
, кДж/кг; (2.7)
, ¾²¾, (2.8)
где Т о.с, i о.с, s о.с – температура, энтальпия, энтропия воздуха определяются по параметрам на входе в установку,
i3, s3 – по параметрам сжиженного воздуха с помощью таблиц или диаграмм [3].
