Машины для сжатия и расширения газа
Основные термодинамические величины и связывающие их формулы приведены в справочной информации наряду с механическими, также необходимыми при термодинамических расчётах. Там же кратко изложены основные понятия и законы классической термодинамики. При этом я стараюсь не использовать довольно абстрактные и недоступные непосредственному измерению понятия энтальпии и энтропии и обойтись более ощутимыми вещами — температурой, давлением и объёмом.
На данной странице я хотел освежить (для тех, кто подзабыл школьный курс) базовые положения классической термодинамики относительно природы температуры и давления газов на основе молекулярно-кинетической теории (МКТ), посмотреть, как можно его использовать для извлечения энергии, и остановиться на некоторых моментах, отличающихся от общепринятых представлений.
Механическая модель идеального газа
Сжатие и расширение идеального газа
Вспомним, что происходит при быстром сжатии или расширении идеального газа. Этот процесс является адиабатическим, т.к. из-за его малой длительности тепло (сиречь кинетическая энергия частиц газа) не успевает сколько-нибудь заметно передаться стенкам сосуда. В этом случае сжатие (т.е. уплотнение) газа сопровождается повышением как его давления, так и температуры, а расширение (т.е. разрежение) — падением и температры, и давления.
Адиабатическое сжатие идеального газа
При сжатии идеального газа в отсутствии теплопередачи кинетическая энергия каждой отдельной частицы не изменяется, однако их концентрация в единице объёма увеличивается пропорционально степени сжатия.
На макроуровне это воспринимается как повышение давления и температуры. Повышение давления после сжатия часто связывается в первую очередь с возрастанием числа воздействий на единицу площади стенки сосуда, а рост температуры объясняется возрастанием кинетической энергии каждого воздействия, поскольку сжимавший газ поршень в конце концов остановился и передал свой импульс молекулам газа, несколько увеличив их скорость и кинетическую энергию — то есть тепловая энергия сжатого газа возросла за счёт внешней работы, которая потребовалась для его сжатия. Впрочем, при вдумчивом размышлении становится ясно, что причины роста давления и температуры нельзя разделить так однозначно, как об этом только что говорилось — и увеличение частоты ударов при той же энергии каждого удара ведёт к повышению температуры, и увеличение средней силы ударов при сохранении их количества в единицу времени приводит к некоторому повышению давления, так что рост температуры и давления при адиабатическом сжатии в принципе неразделимы.
Огромный опыт успешного применения не оставляет сомнений в справедливости этой теории. Каждый может легко убедиться в этом, пощупав самый обычный автомобильный насос через минуту-другую интенсивной работы.
Если в дальнейшем объём газа останется неизменным, то постепенно за счёт теплообмена его температура снизится до температуры окружающей среды. Давление при этом также несколько уменьшится (изохорический процесс), но останется больше прежнего во столько же раз, во сколько раз меньше стал объём газа. Это уменьшение давления при охлаждении является ещё одним проявлением неразделимой связи температуры и давления, вызванной единым порождающим их механизмом — соударениями частиц газа.
Адиабатическое расширение идеального газа
При расширении идеального газа в отсутствии теплопередачи кинетическая энергия каждой отдельной частицы также не меняется, но их концентрация в единице объёма уменьшется пропорционально степени расширения.
На макроуровне это воспринимается как понижение давления и температуры. Понижение давления после сжатия часто связывается в первую очередь с уменьшением числа воздействий на единицу площади стенки сосуда, а снижение температуры объясняется уменьшением кинетической энергии каждого воздействия, поскольку выталкивавшие поршень молекулы газа передавали ему часть своих импульсов и тем самым несколько уменьшали свою скорость и кинетическую энергию — то есть тепловая энергия расширившегося газа уменьшилась из-за работы, которую он совершил при своём расширении. Однако, приведённые выше слова о неразделимости изменения температуры и давления при сжатии в полной мере относятся и к расширению газа.
На этом принципе основана работа множества установок, прежде всего тепловых насосов, из которых в быту наиболее широко распространены компрессорные холодильники и кондиционеры.
Если в дальнейшем объём газа останется неизменным, то постепенно за счёт теплообмена его температура повысится до температуры окружающей среды. Давление при этом также несколько вырастет (изохорический процесс), но останется меньше прежнего во столько же раз, во сколько раз больше стал объём газа.
Update 2011. Как и предыдущий пункт, приемлемо в качестве первого приближения для относительно небольших давлений. Но в рамках МКТ нельзя объяснить, почему замкнутый объём вакуума (скажем, колба термоса) позволяет сохранить температуру, а незамкнутый (теневая сторона космических объектов) вызывает охлаждение до сверхнизких температур.
Как извлечь энергию из идеального газа?
Таким образом, из классической кинетической теории газов следует, что окружающий нас воздух буквально насыщен механической энергией снующих туда-сюда молекул, однако в силу хаотичности движения частиц мы не можем ею воспользоваться — их микроудары на макроуровне взаимно компенсируется, обеспечивая передачу (выравнивание) тепла, но не давая шансов получить механическую работу непосредственно.
И ещё одно обстоятельство. С точки зрения ЭМТ тепловая энергия в газах при относительно низких давлениях находится преимущественно в кинетической форме, в твёрдых телах — почти полностью в потенциальной (в виде колебательных напряжений кристаллической решётки), а в жидких — в значительной степени в потенциальной форме, массово переходя в кинетическую лишь на границе раздела с неплотными газообразными средами. В связи с этим обсуждаемое ниже относится прежде всего к газам и в меньшей степени — к жидкостям.
И всё же, какие способы (хотя бы теоретически) можно предложить для извлечения тепловой кинетической энергии? Их всего два, и оба известны ещё с XIX века.
Демон Максвелла — идеальный тепловой насос
Эта идея основана на утверждении классической термодинамики, что молекулы газа, даже находящегося в равновесном состоянии, двигаются не только в разных направлениях, но и с весьма различными скоростями — от практически нулевой до некоторого максимального значения (а по классическому распределению Максвелла — до бесконечно больших).
Поток из хаоса
Другая идея по извлечению тепловой энергии заключается в следующем. Обычно частицы газа движутся хаотически во всех возможных направлениях. Но если каким-то образом хотя бы некоторую их часть заставить двигаться в одном и том же направлении (не меняя абсолютную величину их скоростей), мы получим направленный поток — ветер в газовой среде или течение в жидкости. А как извлечь пользу из ветра и течения, люди знают уже не одну тысячу лет! При этом на макроуровне упорядочивание движения и возникновение потока будет сопровожаться уменьшением температуры и бокового давления в этом потоке — ведь хаотического теплового движения стало меньше.
Можно ли изменить хаотическое направление движения на желаемое без затрат энергии? Можно! В обычной жизни это успешно осуществляется с помощью различных пассивных отражателей и экранов. Правда, при переходе на микроуровень размеры этих устройств должны быть существенно меньше длины свободного пробега молекул (для воздуха при нормальных условиях она составляет порядка ), а неровности направляющих поверхностей не должны превышать доли газокинетического диаметра молекул, то есть быть не более 1 ангстрема (), что налагает жёсткие ограничения на материалы и технологии их изготовления.
Тем не менее, этот путь не представляется таким уж безнадёжным. Есть сведения, что сопротивление потоку воды специальной мембраны из нанотрубок оказалась на несколько порядков меньше расчётного. Возможно, здесь имело место проявление именно этого эффекта.
Update 2011. В связи с электромагнитным характером взаимодействия молекул газа, для упорядочения направления движения можно попробовать не только механические, но и электрические методы. Однако, поскольку для ощутимого электрического воздействия требуется существенный градиент поля, по-видимому, при этом не удастся избежать необходимости создавать огромную разность потенциалов на небольших расстояниях, и затем динамически управлять этой разностью потенциалов с высокой скоростью.
Скорости молекул газа
Классические представления о распределении молекул газа по скоростям
По представлениям классической термодинамики, молекулы газа, даже находящегося в равновесном состоянии, имеют широкий диапазон мгновенных скоростей, различающихся не только по направлению, но и по абсолютной величине. При этом если направления в среднем равномерно распределены во все стороны, то абсолютные величины скоростей частиц лежат в очень широком диапазоне. Большинство частиц имеют скорость, близкую к некоторой усреднённой величине, находящейся внутри этого диапазона, однако всегда существует некоторое количество более быстрых и более медленных частиц. Профиль этого распределения является статистически стабильным и соответствует Гауссову распределению вероятностей, а теоретический диапазон возможных скоростей лежит в пределах от 0 до бесконечности.
В подтверждение этого приводятся теоретические распределения Больцмана и Максвелла, соответствующие вышеприведённому утверждению и подтверждаемые экспериментально полученными распределениями Штерна и Ламмерта. Однако теория подразумевает возможность бесконечно больших скоростей молекул, но на опыте, несмотря на все старания, не удалось обнаружить молекулы со скоростями выше некоторой достаточно чётко определяемой верхней границы.
Нелогичность классических представлений о распределении по скоростям
С точки зрения обычной механики утверждение о наличии при равновесном состоянии газа огромного разброса скоростей его частиц выглядит совершенно нелогичным. В самом деле, при упругом столкновении двух шаров они могут обменяться импульсами лишь частично или почти полностью. Теоретически возможен и абсолютно полный обмен импульсами, но это идеальный случай, — на практике всегда находится причина, по которой этого не происходит! А в результате многих столкновений с частичным обменом импульсами в среде, состоящей из таких хаотично движущихся шаров одинаковой массы (а ведь это и есть механическая модель идеального газа), их скорости постепенно выравняются и будут практически одинаковыми (с учётом частоты столкновений в нормальных атмосферных условиях для этого потребуются лишь малые доли секунды).
Update 2011. По ЭМТ мгновенные скорости частиц газа сильно различаются, но важны не они, а действующие скорости. Впрочем, эти скорости также не совсем одинаковы, хотя в большинстве случаев достаточно близки. При этом в случае воздействия на внешние объекты важно учитывать не только кинетическую, но и потенциальную составляющую механической энергии частиц газа, значение которой резко возрастает с ростом их концентрации, то есть при повышении давления.
Скорость звука в газе и скорость его молекул
В ответ на подобные возражения физики лишь кивают и разводят руками: — мы сами понимаем, что это выглядит весьма странно, но вот есть экспериментально полученные распределения зависимости числа молекул от их скоростей, и мы можем объяснить их, только признав идеальность столкновений в газе относительно сохранения (либо обязательно полного обмена) количества движения каждой из сталкивающихся частиц и неидеальность столкновений этих же частиц со стенками сосуда (иначе бы температура стенок и газа взаимно не выравнивалась)! Однако даже из житейского опыта следует, что в мире крайне мало идеальных вещей, а если что-то объявляется идеальным, то скорее всего где-то есть какой-то подвох!
Update 2011. По ЭМТ для передачи звука в газе с небольшой концентрацией молекул важна их действующая скорость. При этом теоретически сама скорость звука вдвое меньше действующей скорости. Однако по мере роста концентрации молекул возрастает вклад потенциальной составляющей — именно поэтому скорость звука в газах возрастает с ростом давления при одной и той же температуре, и именно поэтому в реальности действующая скорость превышает скорость звука менее, чем вдвое. Скорость звука для плотных состояний вещества полностью определяется именно этой потенциальной составляющей.
И.В.Померанцев и его теория тепла
Впрочем, на мой взгляд, теория И.В.Померанцева хотя и не слишком известна, но заслуживает более подробного и серьёзного рассмотрения, нежели упоминание в двух словах, поэтому обзор её изложен на отдельной странице. Update 2011. Рассмотрению положений теории Померанцева с точки зрения ЭМТ на этой странице посвящён специальный большой раздел. ♦
Работающий насос преобразует механическую энергию двигателя в энергию перемещаемой жидкости, увеличивая ее давление.
Перемещение жидкостей осуществляется следующими насосами:
— объемными — путем вытеснения жидкости из замкнутого пространства насоса телами, движущимися возвратно-поступательно или вращательно;
— лопастными или центробежными — за счет центробежной силы, возникающей в жидкости при вращении лопастных колес;
— вихревыми — за счет интенсивного образования и разрушения вихрей, возникающих при вращении рабочего колеса;
— струйными — за счет движущейся струи воздуха, воды или пара;
— газлифтами (эрлифтами) — пневматическими подъемниками, в которых используется сжатый воздух или технический газ;
— монтежю и сифонами — перемещение жидкости под давлением воздуха, пара или газа.
Компрессоры — это машины, предназначенные для перемещения газа и повышения его давления.
Компрессорные машины, в зависимости от создаваемой степени сжатия, т. е. отношения давления на выходе из нагнетательного патрубка к давлению на входе во всасывающий патрубок и наличия охлаждения газа в процессе сжатия, делятся на три класса:
— вентиляторы (степень сжатия 1-1,1);
— газодувки (степень сжатия 1,1 -4);
— компрессоры (степень сжатия более 4).
Наибольшее распространение в химической промышленности получили лопастные машины для транспортировки жидкостей и газов, так как они обладают рядом преимуществ перед поршневыми:
— более равномерная подача жидкости и газа;
— простота устройства и компактность;
— надежная работа при небольших давлениях и высокой производительности;
— возможность перекачивания агрессивных жидкостей и жидкостей (газов), содержащих твердые частицы.
Поршневые машины применяются, главным образом, когда требуется перекачивать небольшие количества жидкости под большим (до 15 МПа и более) давлением.
Для транспортировки больших количеств жидкости с небольшими напорами (до 10-15 м) применяют осевые (пропеллерные) насосы. Осевые насосы имеют высокий КПД, компактны, быстроходны и могут использоваться для перекачивания загрязненных и кристаллизующихся жидкостей.
Осевые компрессоры применяют для сжатия любых газов при больших производительностях и относительно высоких давлениях.
Для перекачивания высоковязких жидкостей, топлив, нефтепродуктов в области подач до 300 м3/ч и давлений до 20 МПа применяют винтовые насосы, эти машины компактны, бесшумны, быстроходны, их КПД составляет 0,75—0,8.
Для перекачивания вязких жидкостей, не содержащих твердых примесей, при высоких давлениях и производительности 300-360 мУч используют шестеренные насосы.
Пластинчатые насосы используются для транспортировки чистых, без твердых примесей, жидкостей при умеренных давлениях и производительности 300—350 м3/ч.
Вихревые насосы — просты, компактны и используются для перемещения маловязких жидкостей с напором до 250 м и сравнительно высокой производительностью.
Поршневые компрессоры высокого давления используются в технологических схемах синтеза технических газов, для обдувки поверхностей нагрева котельных агрегатов и др.
Струйные насосы, монтежю, подъемники чаще всего используются в тех случаях, когда недопустимо наличие движущихся и трущихся частей при перекачивании агрессивных и пожароопасных жидкостей.
Выбор насоса должен производиться для конкретных условий работы на основе гидравлического расчета с учетом экономических требований и свойств транспортируемой жидкости или газа
[1] медикаменты и хи ми ко-фармацевтические изделия;
• резинотехнические и асбестовые изделия.
Технологическое оборудование — определяющий элемент застройки большинства химических и нефтехимических предприятий. Его можно разделить на 5 групп (рис. / .8):
• машинное оборудование (насосы, компрессоры, воздуходувки, холодильные машины и др.);
КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ применяют гл. обр. для перемещения и сжатия газов, а также их сжижения, охлаждения и др. Перемещение газа осуществляется под действием разности давлений на двух участках потока в замкнутых каналах (трубопроводах, газоходах и т. д.) или без них. В последнем случае перемещение газов наз. вентиляцией. Необходимая разность давлений определяется требуемой скоростью газового потока и допускаемым гидравлич. сопротивлением системы, возникающим при движении газа по трубопроводу. Перепад давлений, обеспечивающий перемещение газов, достигается с помощью их сжатия, или компримирования. Конечное давление при сжатии зависит от условий теплообмена газа с окружающей средой. Согласно теории, газ может сжиматься изотермически или адиабатически. При изотермич. сжатии вся расходуемая энергия превращ. в теплоту, к-рая полностью отводится в окружающую среду. При адиабатич. сжатии теплообмен с ней отсутствует и вся выделяющаяся теплота затрачивается на возрастание внутр. энергии газа и повышение его т-ры. Действит. процесс сжатия - политропический и рассматривается как совокупность последоват. изменений равновесных состояний газа. При этом изменяется его т-ра и часть теплоты отводится в окружающую среду. Реальный процесс компримирования приближенно описывается ур-нием политропы: pV n =const, где р,V-соотв. давление газа и его уд. объем, n-параметр (показатель политропы), определяемый св-вами, кол-вом газа и его теплообменом с окружающей средой, а также работой сил трения. Показатель n обычно переменен, поэтому такой процесс принято заменять условным, к-рый эквивалентен действительному с n=const. Работа L, затрачиваемая на повышение давления газа массой 1 кг в К. м. любого типа, равна сумме работ сжатия (L cж ) и перемещения газа: L=L cж +L выт +L вх , где L выт и L вх - работы, совершаемые соотв. после сжатия при вытеснении газа из рабочих полостей машины и при входе газа в них. В общем случае
,
а при политропич. сжатии идеального газа где V 1 и V 2 - уд. объем газа соотв. до и после машины, p 1 -начальное давление, или давление всасывания, р 2 -конечное давление, или давление нагнетания. Т-ра газа в конце политропич. сжатия Т 2 =T l (p 2 /p l ) (n-l)/n . Теоретически наиб. выгодно изотермич. сжатие, поскольку при этом затраты энергии К. м. на уменьшение уд. объема и перемещение газа минимальны. Однако полное изотермич. сжатие практически неосуществимо и для приближения к нему сжимаемый газ в ряде случаев охлаждают, понижая т-ру стенок рабочих полостей машины. В зависимости от величины повышения давления (отношение р 2 /р 1 , устар. - степень сжатия) К. м. подразделяют на вентиляторы, газодувки и компрессоры.
Вентиляторы (p 2 /p 1 3,5) применяют для перемещения по трубопроводам сжимаемых при охлаждении газов, перемешивания и распыливания жидкостей, увеличения степени превращ. исходных в-в и т. п. Эти машины подразделяют на вакуумные (начальное давление ниже атмосферного, т. е. p 1
Сжатие газов в химической промышленности используется для проведения химических процессов под давлением, перемещения газов, а также для создания разряжения. Машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов, называют компрессорами.
Отношение конечного давления , создаваемого компрессором, к начальному давлению , при котором происходит всасывание газа, называют степенью сжатия. В зависимости от величины степени сжатия различают следующие типы компрессорных машин: компрессоры - > 3; (с охлаждением)
вентиляторы -
1) одноступенчатые; 1) простого (одинарного) действия;
2) двухступенчатые; 2) двойного действия.
Одноступенчатые компрессоры изготовляются горизонтальные и вертикальные.
Одноступенчатый компрессор имеет цилиндр, который с одной стороны открыт, а с другой закрыт крышкой, в которой расположен всасывающий и нагнетательный клапаны-3,-4. Поршень соединен непосредственно с шатуном.
Такие компрессоры отличаются простотой - они не имеют сальника и ползуна.
Двухступенчатый газ в цилиндре сжимается по обе стороны поршня, поэтому цилиндр снабжен двумя всасывающими клапанами и двумя нагнетательными клапанами. Устройство сложнее, но зато при равном весе и равной занимаемой площади, они дают вдвое большую производительность, чем компрессор простого действия.
Читайте также: