VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Введение

В жизни мы наблюдаем изменения погодных условий. При приготовление пищи замечаем, как вода при кипении превращается в пар, как вода при замораживании превращается в лед, как сливочное масло превращается в жидкую консистенцию, при нагревании. В современной жизни невозможно представить жизнь без холодильника, в котором хранение продуктов возможно более длительное время, чем без него. Применение сжиженных газов так же велико: жидкий кислород применяется в больницах для преобразования в газообразное состояние и используется для лечения пациентов у которых проблемы с дыханием; жидкий азот используется в криохирургии; жидкий водород используется как  ракетное топливо. Применение сжиженного газатак же дает возможность расширить газификацию городов и населенных пунктов с незначительной плотностью населения¹. Поэтому данная тема проекта актуальна.

Цель проекта: исследовать физические явления, которые встречаются на современном производстве холодильного оборудования и Российском производстве сжиженного газа.

Задачи проекта:

1.Найти и проанализировать информацию о физических явлениях, происходящих на современных производствах.

2.Объяснить физические явления, на основе физических законов, сделать выводы.

3. Сделать проект и выступить с ним на конференции.

Объект исследования: холодильное оборудование и установки для производства сжиженного газа.

Предмет исследования: физические явления в современных технологиях.

Методы исследования: поиск информации процесса взаимопревращения

веществ в разных источниках, анализ результатов поиска, выступление перед одноклассниками и на конференции.

Практическая значимость проекта: использование информации для

сообщений и докладов при изучении курса «Физика».

Глава 1. Молекулярная физика

1.1. Общие понятия жидкости и газа

В этой части проекта приведу некоторые понятия физических процессов. Дам определение жидкости, газа, Парообразование, испарение и некоторых других терминов, которые будут встречаться в моей работе.

Жидкость — вещество, находящееся в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным.

Газ – это физическое тело в особом состоянии, всегда стремится равномерно заполнить весь внутренний объем пространства, где оно заключено.

Тепловое движение молекул зависит от температуры. При нагревании происходят переходы вещества из одного состояния в другое: жидкости — в газы. При охлаждении, наоборот, газы превращаются в жидкости. Хаотическое движение атомов и молекул, называют тепловыми явлениями. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и растений.

Тепловое равновесие — это такое состояние, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными.

Тепловое равновесие системы тел характеризует состояние температуры. Все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одинаковую температуру.

Парообразование - процесс перехода вещества из твёрдого или жидкого состояния в газообразное.

Испарение - это процесс парообразования, который происходит с открытой поверхности жидкости или твёрдого тела.

Кипение - это процесс парообразования, происходящий не только с открытой поверхности жидкости, но и по всему объёму. Для каждой жидкости существует своя температура кипения. Температура кипения – это температура, при которой давление её насыщенных паров равно атмосферному давлению.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

Точка росы - температура, при которой пар переходит в состояние насыщения.

Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое, называется конденсацией.

1.2. Модели строения жидкостей и газов

На рисунке 1 представлены схемы расположения молекул в жидкости и газе, а – жидкость, б – газ. ²

рис.1а рис.1б

Промежутки между молекулами жидкостями малы (расстояние между двумя соседними молекулам меньше, чем размер самой молекулы). Малая сжимаемость (рис.1а). В газах расстояние между молекулами во много раз больше размеров самих молекул. Газы легко сжимаются, при этом уменьшается среднее расстояние между молекулами, но форма молекулы не изменяется. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа (рис.1б).

1.3. Взаимодействие частиц вещества

В жидкости частицы находятся на близком расстоянии друг от друга, но располагаются случайным образом. Можно опустить руку в жидкость. Это связано с ослаблением силы притяжения, которое действует между частицами. В жидкости частицы перемещаются друг относительно друга. Жидкости имеют фиксированный объём, но не имеют фиксированной формы. Они будут течь под действием гравитационных сил. Но у некоторых жидкостей вязкость больше, чем у других. Частицы в газах находятся далеко друг от друга и расположены случайным образом. Это состояние имеет самую высокую кинетическую энергию (между частицами практически отсутствуют силы притяжения). Молекулы газов находятся в постоянном движении во всех направлениях (но только по прямой линии), сталкиваются друг с другом, и со стенками сосуда, в котором находятся. Это вызывает давление. Газы также расширяются, чтобы полностью заполнить объём сосуда, в котором они находятся, независимо от его размера или формы. Газы не имеют фиксированной формы или объёма.

Глава 2. Современные технологии

Рассмотрим два направления современных технологий: производство холодильного оборудования и производство сниженного газа.

Сегодня технологии изготовления холодильных установок находятся на очень высоком уровне. Постепенно, в процессе производства фреон заменяется новыми видами газа, более экологичным и безопасным. Холодильные машины выпускают в виде автоматизированных агрегатов. Большим спросом пользуются малогабаритные холодильные машины. Поэтому при конструировании уделяют особое внимание малым автоматизированным холодильным машинам. Они получили широкое распространение в торговле и общественном питании. Например, холодильные шкафы, камеры, прилавки, витрины, охлаждаемые торговые автоматы. Дома используем холодильники, кондиционеры. А также на транспорте, в сельском хозяйстве, медицине и других отраслях народного хозяйства. В современном мире широкое развитие получил холодильный транспорт. Железнодорожный холодильный транспорт пополняется составами, секциями и отдельными автономными вагонами с машинным охлаждением. Увеличилось количество судов-холодильников с современным холодильным оборудованием.

Международный институт Холода прогнозирует увеличение спроса на крупнотоннажное холодильное консервирование продуктов с малым сроком хранения, которое не имеет альтернативы. В связи с этими событиями и увеличивается спрос на холодильное оборудование. В последние годы в РФ наметились позитивные сдвиги в развитии холодильной промышленности. Созданы новые производства холодильного оборудования. Другим важным моментом является то, что техника должна быть современной. Российские конструктора, технологи стараются идти в ногу со временем. И применяют в проектировании холодильного оборудования современные экологичные материалы и технологии.

Мировой спрос на сжиженный газ продолжает расти и ведущая роль в этом процессе принадлежит странам Азии. Наблюдается рост потребления сжиженных углеводородных газов в Китае и Индии. А так же потребительский рынок являются сегодня страны восточноевропейского региона, в которых после спада 90-х гг. наблюдается стремительный рост использования сжиженного газа в быту, нефтехимии и транспорте. Особенно высокими темпами потребление сжиженных газов растет в Польше. В России потребления так же растет, особенно на отдаленных территориях. Распространение новых технологий, основанных на использовании пропан-бутана, в быту и промышленности, рост числа автомобилей на газовом топливе, растущие сырьевые потребности нефтехимических производств — эти и другие факторы обеспечивают прирост потребления не менее 5% в год. В качестве сырья для производства сжиженного газа используются природный и нефтяной попутный газы, газовый конденсат и нефть. Технологические особенности получения сжиженного газа определяются источниками производства: нефте- или газопереработкой, нефтехимией. При нефтепереработке (на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях) сжиженный газ — фактически дополнительный продукт при получении бензинов и прочих продуктов. В отраслях газопереработки и частично в нефтехимии ситуация иная: производимый сжиженный газ является основным продуктом для реализации.

2.1. Производство холодильного оборудования

Сначала хочется рассказать немного об истории возникновения производства холодильного оборудования. С древних времен люди искали способ продлить срок хранения продуктов, в том числе и сырого мяса. Свою добычу складывали в прохладных пещерах, в ледяных пещерах. Жители гор доставляли мясо летом на ледники, где оно замерзало и хранилось долгое время. Известно также, что уже к 2500 г. до н.э. египтяне умели поддерживать пониженную температуру воды, храня ее

в сосудах из глины, которая при специальном обжиге становилась пористой. Вода медленно просачивалась через мельчайшие поры, затем испарялась на поверхности, причем часть тепла, необходимого для этого испарения, отнималась у воды, что вызывало ее охлаждение. Позже стали привозить лед по морю из ледников. Во Франции (1834-1859) возникли три основных устройства, необходимых для производства холода. Вслед за компрессионной машиной (Jacob Perkins1834 г. - вклад Франции в развитие техники холода), американец John Gorrieзапустил в 1844-м машину для сжатия и расширения воздуха, и в 1859 г. Француз Ferdinand Carre построил абсорбционную машину, работающую на аммиаке. Благодаря изобретению Gramme в 1873 г. электрического мотора появился новый приводной механизм у компрессоров. Это вызвало новый подъем в развитии холодильной техники. Использование электрической энергии на заре XX в позволило усовершенствовать устройства^.3

В наше время производство холодильного оборудования с применением современных технологий вышло на новый уровень. За последние два века можно легко отследить прогресс, который создал эту отрасль - холодильную науку и технику. Сейчас самые распространённые холодильные машины, - это паровые компрессионные, с изменением фазового состояния, именно они будут нас интересовать в первую очередь.

2.1.1. Передача тепла в производстве холодильного оборудования

В работе системы охлаждения холодильного оборудования, воздух является посредником между охлаждаемой водой в сосуде и трубками испарителя, которые понижают температуру воздуха и являются, истинными источниками холода. Одним из примеров источника тепла и холода, является тепловой насос. Например, тепловой насос, испаритель которого помещен внутри корпуса небольшой охлаждаемой камеры, а конденсатор - в комнате вне камеры. Если рассматривать тепловой насос как холодильную машину, можно сказать, что испаритель производит холод и поглощает тепло: испаритель⁴ является источником холода для камеры, в то же время если рассматривать тепловой насос как нагревающую систему, то воздух в охлаждаемой камере будет служить источником тепла для нагрева комнаты. Соответственно, когда тела самопроизвольно обмениваются теплом, тепло всегда переходит от горячеготела к холодному телу, но тепло не может само переходить от холодноготела к горячему без затраты энергии. Это возможно осуществить только с помощью компрессора, который должен потреблять энергию. Явления переноса тепла имеют особое значение для холодильной техники по двум причинам: прежде всего, это касается теплообмена между охлаждающей средой, которая должна взять как можно больше тепла от другой, теплой среды, и средой, которую охлаждают. Необходимо, чтобы теплообмен был как можно более совершенным. Для этого, коэффициент конвективного теплообмена и коэффициент теплопроводности, которые разделяют эти две среды стенок были значительными. И поверхность стенок должна быть чистой и черной. Это относится к теплообмену, между отсеками или трубопроводами, в которых среда (воздух в холодильной камере, например, или хладагент на отдельных участках трубопроводов) должна поддерживаться при возможно более низкой температуре, и более горячей средой. В этом случае теплообмен должен быть как можно хуже. Поэтому необходимо, чтобы коэффициент конвективного теплообмена и коэффициент теплопроводности стенок, которые разделяют две среды, были малыми, толщина стенок - большой, а их поверхность – светлой и зеркальной. Теплообмен между твердыми телами и газами или жидкостями, которые находятся при разных температурах, может происходить тремя разными способами: излучением, теплопроводностью и конвекцией. Рассмотрим каждый способ отдельно. Когда перенос тепла осуществляется излучением, тепло передается от одного тела к другому с помощью электромагнитных волн, без прямого контакта между излучающим и поглощающим телами. В случае теплопроводности тепло распространяется внутри тела, от частицы к частице, причем они остаются неподвижными. При конвекции перенос тепла осуществляется жидкой или газообразной средой к твердому телу или наоборот. Такой перенос, например, существует между хладагентом, который циркулирует в испарителе, и стенкой этого испарителя. В большинстве случаев эти три механизма переноса тепла действуют одновременно.

2.2. Производство сжиженного газа в России

Как уже говорилось раннее, очень велико значение применения сжиженного газа. Хотелось бы в своем проекте рассказать о физических явлениях, на основе которых выстраивается производство сжиженного газа.

Природный газ для удобства хранения и транспортировки, путём сжатия с последующим охлаждением до минус 160 °C искусственно сжижают. Перед применением преобразуют в газообразное состояние. Сжиженный - это жидкость без цвета и запаха. Плотность, в зависимости от температуры, давления, и содержания высших алканов колеблется в пределах 0,41-0,5 кг/л. При повышении давления и понижении температуры увеличивается плотность. Не токсичен. Температура кипения −158…−163 °C. Процесс обработки природного газа начинается с очищение от воды, диоксида серы, диоксида углерода и т. п. Затем процесс идет поэтапно. На каждой ступени данного процесса газ сжимается в 5—12 раз, затем охлаждается и передается на следующую ступень. Сжижение происходит при охлаждении после последней стадии сжатия. Процесс сжижения, требует большого расхода энергии, которая содержится в газе. При изучении материала по данному проекту хочу привести пример оборудования, которое в основном используется на заводах по сжижению природного газа.

Оно состоит из:

Установки предварительной очистки и сжижения газа;

Технологических линий производства;

Резервуаров для хранения;

Оборудования для загрузки на танкеры;

Дополнительных служб для обеспечения завода электроэнергией и водой для охлаждения⁵.

При сжижении используются различные виды установок, например, как дроссельные, турбодетандерные, турбинно-вихревые и пр.

2.2.1. Фазы переходов при производстве сжиженного газа

Как уже говорилось раннее, в первой главе. Жидкость может легко перейти в газообразное состояние, при нагревании. В данной главе рассмотрим обратный процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. На этом физическом явлении и основано сжижение газа. Рассмотрим данный процесс на примере, который описан на рис. 2 – идеальный процесс сжижения газа. Сжижение достигается охлаждением ниже критической температуры (Т_к) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования. Снижение температуры ниже Т_К необходимо для получения области температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость (при Т> Т_К жидкость существовать не может). Идеальный процесс сжижения газов изображен на рис. 2.

Рис.2

Изобара 1—2 соответствует охлаждению газа до начала конденсации, изотерма 2—0 — конденсации газа.

Площадь ниже 1—2—0 равноценна количеству теплоты, которое необходимо отвести от газа при его сжижении, а площадь внутри контура 1—2—0—3 (1—3) — изотермическое сжатие газа, 3—0 — адиабатическое его расширение, характеризует термодинамический минимальную работу L_min, необходимую для сжижения газа.

L_min = T₀(S_Г — S_Ж) — (J_Г - J_Ж),

где T₀ — температура окружающей среды; S_Г,

S_Ж — энтропии газа и жидкости; J_Г, J_Ж

— теплосодержания (энтальпии) газа и жидкости.

Значения L_min и действительно затрачиваемой работы L_Д, для сжижения ряда газов, обычно приводятся в соответствующих таблицах разных тематических справочников. Промышленное сжижение газа с критической температурой Т_К выше температуры окружающей среды, например, аммиак, хлор. Будет осуществляться с помощью компрессора, где газ сжимается, и переходит в теплообменник и конденсируется. Охлаждается водой или холодильным рассолом. Сжижения газа с Т_К, которая значительно меньше температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для сжижения газа, с низким Т_К применяются холодильные циклы, которые основаны на дросселировании сжатого газа (использование Джоуля — Томсона эффекта), расширении сжатого газа с производством внешней работы в детандере, расширении газа из постоянного объёма без совершения внешней работы (метод теплового насоса). Приведу пример описания графического изображения и схемы (рис.3.) дроссельного цикла сжижения газа. В компрессоре(1—2) идет последовательное охлаждение газа в теплообменниках (2—3—4), после сжатия. Затем расширяется (дросселируется) в вентиле(4—5). Часть газа после этого сжижается и скапливается в сборнике. А газ, который остался не сжиженным направляется в теплообменники, охлаждает свежие порции сжатого газа.

рис.3

При сжижении газа по циклу с дросселированием, перед входом в основной теплообменник T3 сжатого газа, характерна температура - ниже критической. Для этого нужен теплообменник с посторонним холодильным агентом T2. Если критическая температура выше комнатной (азот, аргон, кислород), то схема является рабочей и без теплообменников T1 и T2. Применяются посторонние хладагенты в этих случаях, только для повышение выхода жидкости. Для сжижения газа в промышленных масштабах чаще всего применяются циклы с детандерами. Циклы с тепловыми насосами, используют при сжижения газа с помощью холодильно-газовых машин. Они позволяют получать температуры до 12 К, этого достаточно для сжижения практически всех газов. Газы, как уже упоминалось, должны очищаться от паров воды, масла и др. примесей, которые при охлаждении могут затвердеть и произойдет засор теплообменной аппаратуры. Поэтому узел очистки газа от посторонних примесей — очень важная часть процесса сжижения газа. Конденсацию газов можно осуществить только после их охлаждения до температур, меньших Тк⁶. Детандер – этот термин уже упоминался в данном проекте. Немного расскажу о принципах работы этой установки. Само слово

Детандер произошло от французского слова – détendre, что означает ослаблять. Это машина для охлаждения газа, основанная на принципе работы на расширения, с отдачей внешней работы. Применяется для получения холода, а не с целью совершения внешней работы. Считается наиболее эффективным способом его охлаждения. Детандер используется в установках для сжижения газов и для разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Используется так же в некоторых системах кондиционирования воздуха.

2.2.2. Физика низких температур

В современном мире, в разных отраслях производства, широко применяют физические явления низких температур. А что такое низкие температуры – это температуры, которые лежат ниже точки кипения жидкого воздуха. Это примерно около 80 К. Низкие температуры принято отсчитывать от абсолютного нуля - 237,15С, или 0 К. Единица измерения абсолютного нуля температуры – Кельвины (К). Сжиженные газы используют для получения и поддержания низких температур. Для получения жидких газов применяют установки – ожижители. В них сильно сжатый газ при расширении до обычного давления охлаждается и конденсируется. Сжиженные газы могут сохраняться в криостатах с хорошей теплоизоляцией очень долго. В качестве теплоизоляции можно применять порошковые и пористые теплоизоляторы, например пенопласты. При откачивании испаряющегося газа из герметичного сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью. Соответственно снизить температуру её кипения. Можно регулировать ее температуру с помощью изменения давления паров над кипящей жидкостью. Конвекция и хорошая теплопроводность хладагента обеспечивают одинаковую температуру во всём объёме жидкости. При более низких температурах вещество затвердевает и теряет свои качества хладагента.

Основные проблемы, которые решает криогенная техника сжижения газов - это их хранение и транспортировка в жидком состоянии, а так же разделение газовых смесей и изотопов низкотемпературными методами. Применение криогенных температур в некоторых областях науки и техники, стало основой для развития самостоятельных направлений криогенной техники, например, криоэлектроники, криобиологии. Большую роль сыграло применение низких температур в изучении конденсированного состояния. Физики низких температур посвящен целый раздел в курсе физики. При понижении температуры в свойствах веществ начинают проявляются особенности, связанные взаимодействием, которое при обычных температурах подавляются сильным движение атомов. Закономерности, которые выявляются при низких температурах, можно последовательно объяснить только на основе квантовой механики. В качестве примера немного опишу каскадный метод охлаждения. В его основе заложен процесс переноса тепла от более низкого температурного уровня, к более высокому. Данный процесс осуществляется в холодильной установке с помощью нескольких замкнутых циклов. Циклы действуют последовательно. Каскадный метод относится к методу глубокого охлаждения. Конденсация холодильного агента низкотемпературного цикла происходит за счет испарения холодильного агента, который следует за ним более высокой температуре холодильного цикла. Количество циклов, обычно, не более четырех, чтобы не усложнять конструкцию установки. Холодильные циклы могут быть по термодинамическим переносам тепла одинаковые или различные. А так же имеют различные холодильные агенты. Еще в конце 19 в. швейцарский физик Р. Пикте применил каскадный метод охлаждения для сжижения воздуха. Его установка состояла из трех холодильных циклов. Первый - высокотемпературный двухступенчатый. В нем, в качестве рабочего тела применялся хлористый метил (CH₃Cl). В среднем цикле - этилен (C₂H₄). В третьем цикле - кислород (O₂). Каскадный метод охлаждения применяют в основном для получения температур до -110 градусов С. Используют для технологических целей в химии, медицине, биологии и других отраслях. Для совершенствования каскадного метода охлаждения - применяют более эффективные холодильные агенты, улучшают конструкции компрессоров, повышают эффективность теплообменной аппаратуры.

Охлаждение до очень температур применяется в ядерной физике. Низкие температуры применяются при изучении полупроводников, оптических свойств молекулярных кристаллов и во многих других исследований⁷.

Глава 3. Основные направления применения жидкостей и газов на производствах РФ

В самых различных отраслях используют жидкости и газы и их изменение агрегатного состояния. Например, в химической промышленности используют холод в производстве синтетического аммиака, красителей, для сжижения и разделения газовых смесей, выделения солей из растворов. В нефтеперерабатывающей промышленности используют при производстве высокооктановых бензинов, смазочных масел. В машиностроении охлаждение применяется для холодной посадки деталей. В строительстве - это замораживание грунтов, используется при сооружении искусственных катков, для опреснения морской воды и многих других работах. Одна из главных областей применения низких температур в технике – это разделение газов. Применение жидких кислорода и азота многообразно. Кислород является окислителем в ракетном топливе. Низкие температуры применяют при получении высокого вакуума. Он основан на методе адсорбции активированного угля или цеолите (адсорбционный насос) или непосредственной конденсации на металлических стенках сосуда с хладагентом. С помощью высокого вакуума и охлаждения до низких температур, возможно имитировать условия, схожие с космическим пространством. Возможно проводить испытания материалов и приборов в этих условиях. Охлаждение до температур жидкого воздуха или азота применяются в медицине, а именно локальное замораживание. Осуществляют оперативное лечение мозговых опухолей. Возможно длительно хранить живые ткани при низких температурах.

Заключение

На основании выбранной темы, мною был найден и проанализирован методический материал. При изучении, которого были выделены основные физические явления, применяемые на современном производстве холодильного оборудования и производства сжиженного газа. Эти два направления на мой взгляд объединяет схожий принцип работы передачи тепла - работа на понижение температур, сжатие и расширение газов. А также были выделены основные способы теплообмена между твердыми телами и газами или жидкостями, которые находятся при разных температурах, а именно – излучение, теплопроводность, конвекция.

Данный проект раскрывает лишь малую часть тех удивительных физических процессов, которые происходят при производстве холодильного оборудования и сжиженного газа.

Список литературы

1. Физика универсальный справочник. О.П. Бальва, Эксмо. Москва, 2016 г.

2. Основы холодильной техники Рой Дж. Доссат. Перевод с английского -М. Б. Розенберга. Издательство «Легкая и пищевая промышленность», 1984 г.

3. Основы холодильной техники и холодильной технологии. Ф.Е. Мещеряков. Издательство «Пищевая промышленность», 1975 г.

4. В. Польманн http://refportal.com/library/knigi/uchebnik-po-holodil-noy-tehnike-pol-mann/

Интернет ресурсы:

1. http://ngpedia.ru/id317272p1.html

2. https://ru.wikipedia.org/wiki.

3. https://нэб.рф

4. http://www.gpntb.ru/

1 http://ngpedia.ru/id317272p1.html

2https://нэб.рф

3Основы холодильной техники Рой Дж. Доссат. Перевод с английского -М. Б. Розенберга. Издательство «Легкая и пищевая промышленность», 1984 г.

4⁴ Основы холодильной техники Рой Дж. Доссат. Перевод с английского -М. Б. Розенберга. Издательство «Легкая и пищевая промышленность», 1984 г.

5 https://ru.wikipedia.org/wiki.

6 https://нэб.рф

7http://www.gpntb.ru/