Технология использования сжатых газов (стр. 8 )

Для высоких давлений рекомендуется пользоваться уравнением Беатти-Бриджмена

Значения коэффициентов находятся по таблицам.

Существуют достаточно точные диаграммы и таблицы термодинамических свойств для однокомпонентных газов. Но технические газы – обычно смеси.

Все известные виды уравнений для описания свойств газовых смесей при р < 20-30МПа далее дают большую погрешность.

Наиболее продуктивным оказался метод Загорученко. Его уравнение справедливо до 70 МПа и 500 оК. Это уравнение состояния, приведенное к универсальному виду, имеет вид

,

где α, β, γ – определяются суммированием по
n- компонентам с использованием ряда экспериментальных коэффициентов, учитывающих парные взаимодействия между молекулами различных составляющих газов.

Расчеты свойств и процессов выполняются на ЭВМ.

Одна из надёжных методик принадлежит Леониду Серовскому, бывшему сотруднику ВНИИкомпрессормаша, и СумГУ. Методика основана на использовании критических параметров.

Следует отметить, что для описания процессов при высоких давлениях используется их приближенное описание политропой с постоянным показателем n. На самом деле и к, и n являются функциями состояния. Поэтому расчет иттеративный.

Методика Серовского основана на методе т. н. идеальных кривых для газов и однопараметрическом законе соответственных состояний, обеспечивающих возможность связать макроскопические свойства вещества с их фундаментальными характеристиками на молекулярном уровне. Используется молекулярно-кинетическая теория газов в сочетании с некоторыми империческими обобщениями.

Методика применима для широкого класса газов и газовых смесей при

Т/Ткр=1,25-25;

ρ/ρкр=1,6-2,

т. е. вполне пригодна для компрессоров, где обычно 200≤Т<700 и давление до 50Мпа и более.

Интересным для практики является процесс дросселирования газа, который происходит в соплах, отверстиях, в рабочих органах регулирующих клапанов, дроссельных устройствах.

Дросселирование идеальных газов происходит при неизменной температуре, т. к. не зависит от

В классической физике и в практике при не очень высоких давлениях процессы дросселирования реальных газов идут с понижением температуры (рис. 2.6), т. к. (если не совершается внешняя работа), например, при прохождении газа через редукционный вентиль.

Рисунок 2.6 – Процесс дросселирования в диаграмме

При больших степенях редуцирования, например с
300 атм до 1 атм, температура сильно падает, происходит даже обмерзание вентиля и трубы после него. Поэтому иногда вентили даже обогревают, чтобы не нарушалась работа их механизмов – подвижность рабочего органа, не происходило охрупчивание уплотнительных материалов.

При дросселировании изменение температуры с уменьшением давления можно выразить в дифференциальной форме

,

при этом может быть j > 0 или j < 0, т. е. процесс дросселирования может сопровождаться как повышением, так и понижением температуры. Это называется эффектом Джоуля-Томпсона, который является важной экспериментально определяемой характеристикой реального газа. Для идеального газа Обычно, при умеренных значениях давления, т. е. при дросселировании температура понижается. Однако существуют области параметров газов, где т. е. температура при дросселировании повышается. Это имеет место для газов при высоких и сверхвысоких давлениях.

В некотором состоянии для каждого реального газа происходит изменение знака Этому состоянию соответствует температура инверсии Температура инверсии является функцией давления (рис.2.7).

Температура инверсии для воздуха очень высока и равна Выше этой температуры при дросселировании воздух нагревается.

Для водорода, наоборот, температура инверсии очень низкая Если нужно вызвать охлаждение водорода путем дросселирования, то предварительно его нужно охладить каким-то другим образом до температуры ниже и лишь после этого дросселировать. Дросселирование водорода с начальной температурой выше будет сопровождаться его нагревом.

Рисунок 2.7 – К определению температуры инверсии

Большинство технических газов имеют отрицательный дроссель-эффект в области высоких и сверхвысоких давлений, что должно учитываться при проектировании компрессорных установок.

Впервые в практике компрессоростроения с этим явлением столкнулись во ВНИИкомпрессормаше при разработке этиленовых компрессоров сверхвысокого давления.

Еще одна важная особенность газов при высоких давлениях – значительное возрастание растворимости газов в минеральных маслах, используемых для смазки и уплотнения валов и штоков ЦК и ПК. Это очень существенно, так как масла разжижаются, уменьшается их плотность, вязкость, срок службы. Иногда из-за этого приходится применять дорогостоящие синтетические масла.

Во ВНИИкомпрессормаше были поставлены специальные опыты по установлению влияния растворимости азота в минеральном масле,,Турбинное-22’’.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.8.

Рисунок 2.8 – Схема экспериментальной установки для определения растворимости азота в минеральном масле

Напорную ёмкость 1 через клапан 5 заполняли маслом до уровня Н, контролируя с помощью стеклянной мерной трубки 3, которую затем перекрывали клапаном 4. Затем подавали азот из баллона 5 с высоким давлением. Дальнейшее повышение давления обеспечивали насосом 6 с расширительной ёмкостью 7.

Суть эксперимента состояла в том, что если газ растворяется в масле, то плотность масла уменьшается, уменьшается соответственно и гидростатический напор столба масла, что фиксируется дифманометром.

Результаты опытов показаны на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 –Зависимость гидростатического напора от давления азота над ним

Процесс удаления растворенного газа из масла осуществляется в специальных аппаратах – дегазаторах, в которых поддерживается давление равное атмосферному, для чего масло из полостей высокого давления дросселируется в ёмкость дегазатора. Специальный нагревательный элемент подогревает масло, что способствует удалению пузырьков газа из масла. Пары газа либо выбрасываются в атмосферу, либо отсасываются в ёмкости.

2.5.4 Газы при высоких температурах

Ионизация газов – преобразование электрически нейтральных частиц газа в заряженные частицы. Ионизация газов происходит путем отрыва от атомов или молекул газа одного или нескольких электронов, а также присоединение свободных электронов к некоторым нейтральным атомам или молекулам. В результате возникают положительные и отрицательные ионы и свободные электроны, вследствие чего газ становится проводником электрического тона.

Ионизация газов происходит при высокой температуре, это учитывается и полезно используется в технике, где температуры газов и газовых смесей достигают порядка от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов Кельвина.

Диссоциация газов – разъединение, распад молекул на простые молекулы, атомные группы или ионы, под действием высокой температуры.

Оба указанных явления имеют место при осуществлении газовых разрядов. В результате получается качественно новый газ, представляющий собой смесь положительно и отрицательно заряженных частиц (ионов и электронов) и нейтральных атомов. Свойства такого газа практически полностью определяются температурой.

Контрольные вопросы к теме 2

1 В чём заключается отличие реальных газов от идеального?

2 Запишите и поясните уравнение состояния для реального газа.

3 Что такое сжимаемость газа и как она учитывается в расчетах?

4 Что такое смесь газов и как определяются свойства смеси?

5 С помощью каких диаграмм производятся расчеты процессов для машины объемного и динамического сжатия?

6 Приведите классификацию газов по давлению.

7 Какие самые высокие давления и в каких процессах и технологиях достигнуты?

8 Какие специфические свойства газов при очень высоких давлениях?

9 Как ведут себя газы при нагреве до очень высоких температур?

10 Что такое дроссель-эффект Джоуля-Томпсона?

11 Как проявляется растворимость газов в маслах при высоких давлениях?

12 Как осуществляется дегазация масла?

13 Какие вы знаете методики для расчета газов при высоких давлениях?

Список литературы

1. Техническая термодинамика/ Кириллин В. В., –М.: Энергия, 1983. – 416с.