СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ
переход
Идеальный процесс С. г. изображён
Lmin <= T где То - темп-pa окружающей
Рис. 1. Идеальный цикл сжижения
Значения Lmin и действительно
Пром. С. г. с критич. темп-рой
Значения температуры кипения
квт • ч/кг Рис. 2. Схема и диаграмма
В лабораторной практике иногда
Графич. изображение и схема
Для С. г. в пром. масштабах
Циклы с тепловыми насосами
Рис. 3. Схема и диаграмма
Подвергаемые сжижению газы
Поэтому узел очистки газа
О применении сжиженных газов
Лит.: Фастовский В.
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
вещества из газообразного состояния в жидкое. С. г. достигается охлаждением
их ниже критической температуры (Т
в результате отвода теплоты парообразования (конденсации). Охлаждение газа
ниже Т
существовать не может). Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 (голл. физик
М. ван Марум). Хлор был получен в жидком состоянии в 1823 (М. Фарадей),
кислород
- в 1877 (швейцарский учёный Р. Пикте и французский учёный Л. П. Кальете),
азот и окись углерода - в 1883 (3. Ф. Вроблевский и К. Ольшевский),
водород
- в 1898 (Дж. Дьюар), гелий - в 1908 (X. Камерлинг-Оннес).
на рис. 1. Изобара /-2 соответствует охлаждению газа до начала конденсации,
изотерма 2-0 - конденсации газа. Площадь ниже /-2-0 эквивалентна
количеству теплоты, к-рое необходимо отвести от газа при его сжижении,
а площадь внутри контура /-2-0-3 (/-3 - изо-термич. сжатие
газа, 3-0 - адиабатическое его расширение) характеризует термодинамически
минимальную работу L
среды; S
газов на диаграмме Т - S (температура - энтропня).
затрачиваемой работы L
T
в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом. С. г. с
Т„, к-рая значительно ниже темп-ры окружающей среды, производится методами
глубокого
охлаждения. Наиболее часто для С. г. с низким Т
холодильные
циклы, основанные на дросселировании сжатого газа (использование
Джоуля
-Томсона эффекта), на расширении сжатого газа с производством внеш.
работы в детандере, на расширении газа из постоянного объёма без совершения
внеш. работы (метод теплового насоса).
Ткип
(при
760 мм рт. ст.),ритической температуры T
Газ
Ткип,
К
Т
Lmin,
Lд,
квт
• ч/кг
Азот
77,4
126,2
0,220
1,2-1,5
Аргон
87,3
150,7
0,134
0,8-0,95
Водород
20,4
33,0
3,31
15-40
Воздух
78,8
132,5
0,205
1,25-1,5
Гелий
4,2
5,3
1,93
15-25
Кислород
90,2
154,2
0,177
1,2-1,4
Метан
111,7
191,1
0,307
0,75-1,2
Неон
27,1
44,5
0,37
3-4
Пропан
231,1
370,0
0,04
0,08
Этилен
169,4
282,6
0,119
0,3
Т
-
S (температура - энтропия) цикла сжижения газов на основе эффекта Джоуля
- Томсона: К - компрессор; Tl, T2, ТЗ - теплообменники; Др - дроссельный
вентиль.
используется каскадный метод охлаждения (сжижения).
дроссельного цикла С. г. дана на рис. 2. После сжатия в компрессоре (/-2)
газ
последовательно охлаждается в теплообменниках (2-3-4) и затем расширяется
(дросселируется) в вентиле (4-5). При этом часть газа сжижается
и скапливается в сборнике, а неожижившийся газ направляется в теплообменники
и охлаждает свежие порции сжатого газа. Для С. г. по циклу с дросселированием
необходимо, чтобы темп-pa сжатого газа перед входом в осн. теплообменник
ТЗ
была
ниже темп-ры инверсионной точки (см.
Инверсионная кривая). Для этого
и служит теплообменник с посторонним
холодильным агентом Т2. Если
темп-pa инверсионной точки газа лежит выше комнатной (азот, аргон, кислород),
то схема принципиально работоспособна и без теплообменников Т1 и Т2.Применение
посторонних хладагентов в этих случаях имеет целью повышение выхода жидкости.
Если же темп-pa инверсионной точки газа ниже комнатной, то теплообменник
с посторонним хладагентом обязателен. Напр., при сжижении водорода методом
дросселирования в качестве постороннего хладагента используется жидкий
азот, при сжижении гелия-жидкий водород.
чаще всего применяются циклы с детандерами (рис. 3), т. к. расширение газов
с производством внешней работы - наиболее эффективный метод охлаждения.
В самом детандере жидкость обычно не получают, ибо технически проще проводить
само сжижение в дополнит. дроссельной ступени. После сжатия в компрессоре
(/-2) и предварит, охлаждения в теплообменнике (2-3) поток
сжатого газа делится на 2 части: часть М отводится в детандер, где,
расширяясь, производит внеш. работу и охлаждается (3-7). Охлаждённый
газ подаётся в теплообменник, где понижает темп-ру оставшейся части сжатого
газа 1-М, к-рая затем дросселируется и сжижается. Теоретически расширение
в детандере должно осуществляться при постоянной энтропии (3-6). Однако
из-за потерь расширение протекает по линии 3-7. Для увеличения термодинамич.
эффективности процесса С. г. иногда применяют неск. детандеров, работающих
на различных температурных уровнях.
обычно используются (наряду с детандерными и дроссельными циклами) при
С. г. с помощью холодильно-газовых машин, которые позволяют получать темп-ры
до 12 К, что достаточно для сжижения всех газов, кроме гелия (см. табл.).
Для сжижения гелия к машине пристраивается дополнит. дроссельная ступень.
Т
- S (температура - энтропия) цикла сжижения газов с детандером: К -
компрессор; Д -детандер; Др - дроссельный вентиль.
должны очищаться от паров воды, масла и др. примесей (напр., воздух - от
углекислоты, водород - от воздуха), к-рые при охлаждении могут затвердеть
и закупорить теплообменную аппаратуру.
от посторонних примесей - необходимая часть установок С. г.
см. в ст. Глубокое охлаждение.
Г., Петровский Ю. В., Ровинский А. Е., Криогенная техника, 2 изд., М.,
1974; Справочник по физико-техническим основам криогеники, 2 изд., М.,
1973. См. также лит. при ст. Глубокое охлаждение. А. Б. Фрадков.