Материал: 2293

Для расчета процессов получения твердого диоксида углерода в ТХЭА необходимо знать связь между теплофизическими параметрами смеси и ее отдельными компонентами. Продукты сгорания топлива являются смесью химически индифферентных друг к другу газов. Смесь идеальных газов также является идеальным газом, так как между молекулами газовой смеси отсутствуют силы взаимодействия. Уравнение состояния газовой смеси имеет такой же вид, как для отдельных газов. В частности, для газовой смеси верно также соотношение

CМ RСМ 8314,41 Дж/(кмоль К),

где RСМ – газовая постоянная смеси.

Согласно закону Дальтона давление р газовой смеси равно сумме парциальных давлений рi отдельных газов:

Коэффициент теплопроводности и динамическая вязкость смеси газов соответственно рассчитываются по формулам

где i , ТКРi – динамическая вязкость и критическая температура отдельных компонентов смеси.

Связь между температурой ТS насыщения СО2 в газовой смеси с объемной концентрацией rС диоксида углерода и давлением смеси устанавливает уравнение [1, 11]

Основные уравнения, описывающие свойства компонентов продуктов сгорания топлива, приведены в приложении.

70

4.2. Особенности процесса получения твердого диоксида углерода из расширяющегося потока ПСТ в турбодетандере

Главной особенностью получения твердого СО2 из расширяющегося потока ПСТ в турбодетандере является его работа в условиях фазового превращения части рабочего вещества, когда возможно образование в проточной части крупных кристаллов СО2 , способных привести к повышенным термодинамическим потерям и эрозионному износу детандера.

Анализ процессов расширения мог быть выполнен с помощью диаграмм h-s или T-s. Однако такие диаграммы для ПСТ различного по составу топлива и широкого спектра по концентрации СО2 в области температур 140 – 200 К в настоящее время отсутствуют. Поэтому предлагается условная диаграмма T-s для смеси воздуха и СО2 (рис. 4.5).

Термодинамические параметры воздуха рассчитаны по уравнению состояния газообразного воздуха. На поле диаграммы нанесены линии постоянной объемной концентрации rС диоксида углерода, построенные по давлению р и температуре ТS насыщения из уравнения (1.14). Линии rС = = const являются линиями насыщения для данной концентрации СО2 в ПСТ.

С помощью условной диаграммы Т-s рассмотрим особенности процесса расширения ПСТ с частичной кристаллизацией СО2 в турбодетандере.

В зависимости от начальных условий (температуры и концентрации СО2 на входе, перепада давлений и коэффициента полезного действия) при расширении ПСТ температура на выходе из детандера может быть выше, равна или ниже температуры насыщения при давлении на выходе р2 . В последнем случае при достижении критического перенасыщения паров СО2 произойдет их кристаллизация.

Предположим, что расширение изоэнтропийное (теплоприток извне qОС отсутствует, работа lТР сил сопротивления при движении газа равна нулю), температура Т0 на входе в ступень соответствует температуре ТS сухого насыщенного пара. При расширении ПСТ в детандере от давления р0 до р2 температура потока Т снижается в большей степени, чем ТS . В общем случае при появлении переохлаждения ( Т = ТS – T) наблюдается кристаллизация паров СО2 с выделением скрытой теплоты фазового перехода и соответствующим увеличением энтропии газа.

Представим два возможных предельных случая расширения ПСТ. При равновесном расширении переохлаждение пара отсутствует или оно бесконечно мало. Кристаллизация СО2 начинается в точке 0, а процесс расширения изображается линией равновесной кристаллизации 0-5. Концентрация СО2 в потоке газа изменяется от rC0 до rC5 . При предельно неравновесном процессе, когда скорость расширения значительно превышает скорость фазовых превращений, кристаллизация СО2 происходит не в проточ-

71

ной части, а выносится за ступень детандера. Процесс расширения ПСТ изображается на диаграмме линией 0-2, а линией 2-3 – подвод теплоты кристаллизации СО2 к газу вследствие изменения концентрации СО2 от rC0 до rC3 .

Реальный процесс расширения ПСТ соответствует некоторой промежуточной модели. Например, перенасыщенное состояние ПСТ может нарушиться в состоянии 1, и переохлажденный пар скачкообразно переходит из метастабильного состояния в равновесное (точка 1'). Далее процесс расширения пройдет вдоль линии состояния насыщения 1'- 4'. Кроме отмеченного перехода из метастабильного состояния возможны и другие, промежуточные, случаи. Во-первых, точка перехода 1 может менять свое положение в зависимости от конкретных условий течения; во-вторых, сам процесс перехода может быть не скачкообразным, а иметь определенную протяженность вдоль проточной части детандера; в-третьих, переходный процесс не обязательно должен завершиться равновесным состоянием, а может перейти в какое-то промежуточное метастабильное состояние.

На основании теоретических исследований процесс расширения ПСТ в осевом одноступенчатом турбодетандере можно представить в следующем виде.

1.На первом этапе (процесс 0-1) происходит переохлаждение потока.

2.На втором этапе (процесс 1-1') при достижении критического переохлаждения происходит интенсивное образование зародышей СО2 и их рост в результате кристаллизации паров. При этом выделяется теплота кристаллизации, повышающая температуру потока до состояния насыщения. Концентрация СО2 в потоке газа изменяется от rC0 до rС1' .

3.На третьем этапе (процесс 1'-4) продолжается кристаллизация СО2 при малом переохлаждении, при этом теплота кристаллизации компенсируется холодопроизводительностью расширяющегося потока. Концентра-

ция СО2 в потоке газа изменяется от rC1' до rC4 .

Анализ расчетных данных показывает, что в областях степени расширения Д = р0 / р2 = 1,8 2,7 и объемной концентрации СО2 в продуктах сгорания топлива rС0 = 0,02 0,2 разность температур ТКР = ТS – Т = 12,5 13 К является критическим переохлаждением, при котором начинается спонтанная кристаллизация паров СО2 с выделением теплоты фазового перехода. Это позволяет определить критическое давление рКР , а вместе с ним и место выпадения СО2 в проточной части турбодетандера.

Предположим, что происходит расширение ПСТ с начальной объемной концентрацией r6 = 0,02 от давления р6 = 0,2 МПа (точка 6). Изменение температуры насыщения TS происходит по линии r6 = сonst, а температуры потока Т – по s = const. При критическом давлении рКР = р7 ~ 0,14 МПа, где разность температур ТS = TS –Т становится равной 12,5 13 К (точка 7), начинается процесс спонтанной кристаллизации СО2 с выделением скры-

73

74