Физические методы переработки и использования газа: Учебное пособие, страница 63

ГлаваVI

МЕТОДЫПРОИЗВОДСТВАТЕПЛОТЫ

В настоящее время основной способ подготовки при­родного и нефтяного газа к транспортированию — это низкотемпературная сепарация газа. При этом на на­чальных стадиях разработки месторождений используют пластовую энергию газа в виде естественного перепада давления в установках НТС, а на более поздних ста­диях разработки, когда отсутствует перепад давлений, используют установки получения искусственного холода.

§ 1. ОБЩИЕСВЕДЕНИЯ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯТЕПЛОТЫ (ХОЛОДА)

Для низких температур под охлаждением подразуме­вается искусственный отвод теплоты от какого-либо те­ла, находящегося при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Таким образом, искус­ственное охлаждение в сущности является последова­тельностью процессов, заключающихся в переводе теп­лоты с одного температурного уровня на другой, более высокий (тепловой насос).

Для любого процесса охлаждения необходимо иметь рабочее вещество, энтропия которого зависит от темпе­ратуры и какого-либо внешнего параметра (например, давления), который можно изменять. При осуществле­нии процесса охлаждения, во-первых, необходимо в изо­термических условиях изменить этот параметр в направ­лении, соответствующем уменьшению энтропии тела AS. В это время над системой осуществляется работа с отводом теплоты в количестве AQ = TAS. Очевидно, что при этом уменьшается лишь часть энтропии, опре­деляемая внешним параметром, а часть энтропии, оп­ределяемая температурой, сохраняется. Далее при изо-энтропийном процессе изменяется внешний параметр в противоположном направлении. В ходе этого процесса энтропия в целом остается постоянной, однако часть ее, определяемая температурой, уменьшается за счет роста части энтропии, связанной с внешним параметром. Ясно,

136

что при этом происходит падение температуры системы.

Практически умеренно низкие температуры достига­ются:

с помощью фазовых превращений, сопровождающих­ся поглощением теплоты, например испарения воды, ам­миака, фреона или другого подобного хладоагента;

расширением газа без совершения внешней работы;

расширением газа с совершением им внешней ра­боты.

Каждый процесс, в котором происходит расширение или сжатие газа, следует рассматривать как процесс перехода тепловой энергии в механическую и обратно. Для того чтобы тепловая машина работала непрерыв­но, необходимо последовательное сочетание нескольких процессов, в результате которых рабочее тело придет в первоначальное состояние. Подобное последовательное изменение состояний тела называется циклом. Если от­дельные процессы, входящие в цикл, обратимы, то и весь цикл также обратим. Процесс называется обра­тимым, если физически допустимо изменение направ­ления процесса на обратное к исходному состоянию од­новременно с приведением взаимодействующих тел то­же к их исходному состоянию. В противном случае про-цес называется необратимым.

Работа (Li), получаемая при произвольном цикле (рис. VI. 1) расширения газа (рабочий процесс) по вет­ви 1—а—2, равна площади 1—а—2—2^х—Л. Работа (L₂), затрачиваемая на сжатие газа (вспомогательный процесс) по ветви 2—Ь—/, равна площади 2—Ь—/— —Я—2¹. Совершаемая по­лезная работа L — L\—Li изображается в цикле замк­нутой площадью (заштрихо* ванной).