Akademik

Идеальный цикл С. г. приведён на рис. 1: 1 - 2 - изобарич. охлаждениегаза от темп-ры Т ₀ до темп-ры Т ₂ началаконденсации (T₂ ниже Т _к), изотерма 2-0- конденсация газа; 1-3 - изотермич. сжатие газа, 3-0- адиабатич. его расширение. Площадь под 1-2 -0 соответствует отводимойпри С. г. теплоте, площадь внутри 1 - 2 - 0- 3 - мин. работе A _мин С. г.:где S _Г, S _Ж - энтропия, Н _Г, Н _Ж- энтальпия газа и жидкости соответственно.

Рис. 1. Т - S-диаграм-ма идеального цикла сжижения газов (р - давление, Н - энтальпия).

Давления, необходимые для идеального цикла С. г., составляют сотни тысячатм, поэтому на практике цикл неосуществим. Реальные затраты энергии приС. г. обычно превышают А _мин в 5-10 и более раз.

Совр. методы С. г. основаны на охлаждении предварительно сжатого газапри Джоуля - Томсона эффекте (т. е. при дросселировании - пропусканиигаза через пористую перегородку, кран, вентиль), изоэнтропич. расширениигаза с совершением внеш. работы в детандере и при выпуске газа из сосудапост. объёма (выхлоп). Процесс дросселирования необратим, идёт с возрастаниемэнтропии по закону: Н= const. Инверсионная темп-pa всех газов (темп-pa,при к-рой положит. эффект Джоуля - Томсона становится отрицательным и газначинает нагреваться), кроме Н ₂, Не и Ne, на сотни градусоввыше темп-ры окружающей среды, и поэтому они могут быть охлаждены и сжиженыпростым дросселированием. Инверсионные темп-ры Н ₂, Не и Ne значительнониже комнатных, поэтому их предварительно охлаждают (Н ₂ и Ne- жидким азотом, Не - жидким водородом).

Термодинамически наиб. эффективен метод С. г. с помощью детандера; этотметод в пром. установках является основным. В поршневых детандерах сжатыйгаз движет поршень и охлаждается, в турбодетандерах - вращает турбину. В большинстве случаев после детандера газ дополнительно охлаждают дросселированием. Процесс расширения газа в детандере: S =const.

Рис. 2. Схема установки сжижения газов (а) и её Т - S-диаграмма (б);К - компрессор, Д - детандер, Т/о - теплообменники, Др - дроссель, Сб -сборник.

На рис. 2 приведены типовая схема установки для С. г. ( а )и Т- S -диаграмма ( б )термодинамич. процессов в ней. После сжатияв компрессоре (1-2 )и предварит. охлаждения в теплообменнике (2-3 )потоксжатого газа делится на два: поток М отводится в детандер, где, расширяясь, производит работу, охлаждается (3-7 )и охлаждает вторуючасть сжатого газа 1 - М, к-рый затем дросселируется и сжижается. Теоретически расширение газа в детандере должно протекать при пост. энтропии(3-6), однако в результате разл. потерь реально идёт процесс 3-7. В крупных установках С. г. применяют неск. детандеров, работающих вразных температурных интервалах. Спец. устройство позволяет получать сжиженныйгаз непосредственно в самом детандере и обходиться без дроссельной ступени. Для сжижения небольших кол-в газа используются криогенно-газовые машины, представляющие собой комбинацию компрессора, теплообменного аппарата идетандера. С помощью таких машин получают темп-ры до 10 К, т. е. достаточнонизкие для сжижения всех газов, кроме гелия (для сжижения гелия пристраиваетсядополнит. дроссельная ступень). В небольшом объёме С. г. может производитьсяпри охлаждении испаряющейся жидкостью с более низкой (чем получаемая) темп-ройкипения. Так, с помощью жидкого азота можно сжижать кислород, аргон, метани др. газы, с помощью жидкого водорода - неон. Такой процесс энергетическиневыгоден и применяется только в лаб. условиях.

Подвергаемые сжижению газы должны быть очищены от примесей, к-рые имеюттем-ру замерзания более высокую, чем в цикле сжижения данного газа, и, затвердевая, могут закупорить теплообменную аппаратуру. Сжижение газов(N, О ₂, Н ₂, природного газа и др.) - крупная отрасльхим. пром-сти.

Лит.: Справочник по физико-техническим основам криогеники, подред. М. П. Малкова, 3 изд., М., 1985; Фрадков А. Б., Что такое криогеника, М., 1991. А. Б. Фрадков.