CC BY
4УДК 62
Немтин В.Г.
канд. экон. наук, профессор, старший научный сотрудник 21 НИО 2 НИУ НИИ ВСИ ВС РФ «Военная академия материально-технического обеспечения имени
генерала армии А. В. Хрулева» (Россия)
Усов Д.Ю.
канд. экон. наук, старший научный сотрудник 21 НИО 2 НИУ НИИ ВСИ ВС РФ «Военная академия материально-технического обеспечения имени
генерала армии А. В. Хрулева» (Россия)
Колбасюк К.Ю.
старший оператор 10 научной роты НИИ ВСИ ВС РФ «Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А. В. Хрулева»
(Россия)
ПРИМЕНЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ВС РФ
Аннотация: В статье кратко описан способ построение 1-й диаграммы для смеси (диоксид углерода - азот) для определения основных параметров диоксида углерода используемого в Вооруженных Силах Российской Федерации.
Ключевые слова: диоксид углерода, графический метод, процесс вымораживания, углекислота, азот, изотерма, температура, парциальное давление.
Определение аналитическим путем всех изменяющихся в процессах вымораживания двуокиси углерода из потока параметров возможно, но является трудоемкой задачей. Определение этих параметров упрощается при применении графических методов расчетов с помощью 1 - ё диаграммы, показывающей сочетание
между параметрами: t, ф, i, d, tp, Рп. Диаграмма i - d впервые была построена в 1918 г. профессором Л.К. Рамзиным.
Для анализа процесса вымораживания двуокиси углерода из потока, расширяющегося в турбодетандере ГХМ, производится построение диаграммы i - d для смеси азота и двуокиси углерода. Для упрощения построения диаграммы принята двухкомпонентная смесь: азот и газообразная двуокись углерода.
В диаграмме i - d применена косоугольная система координат, в которой оси абсцисс и ординат обычно расположены под углом 135°. При такой системе область линий насыщения углекислоты ф = 100% при различных давлениях располагается более удобно для последующей работы с диаграммой. Из начала координат проведена вспомогательная прямая под углом в 90° к оси ординат, которая становится шкалой содержания углекислоты d и ее условно можно назвать осью абсцисс. Вся часть диаграммы ниже этой линии отбрасывается ввиду отсутствия практической надобности в ней. Ниже приводится порядок построения диаграммы i - d (давление смеси Р = 1 ата).
На ось ординат наносится шкала температур в необходимых пределах, учитывая выбранный масштаб, т.к. эта ось соответствует значениям d = 0, т.е. углекислота в смеси отсутствует, то в этом случае справедливо уравнение i = CPn х t для азота (Cp = 1,044
кДж/кг х град). Поэтому, задаваясь значениями i кДж/кг в целых числах и получая соответствующие значения t °C, на ось ординат можно нанести шкалу энтальпий, а также провести изоэнтальпы под углом 135° к оси ординат. Теплоемкость азота Cp
принимается постоянной.
Масштаб содержания углекислоты Adm принимается в гн раз больше, чем масштаб энтальпий Aim (гн = 571,5 кДж/кг - теплота сублимации твердой углекислоты при температуре насыщения tH = -78,9 °С). Учитывая то, что шкалой d г/кг
пользоваться удобнее, чем шкалой d кг/кг, зависимость Adm мм от Aim мм следует определять как Adm = гн х 10-3 х Aim. Линии постоянного содержания углекислоты проводятся параллельно оси ординат.
Энтальпия (I + d) кг смеси азота и углекислоты, в котором азот весит 1 кг, определяется по выражению:
i = Ín2 + ico2 х d = 1,044 х t + [571,5 + CpC02 (tH - t)] х d, кДж/кг ,
16
где Cpco - теплоемкость углекислоты при различных температурах.
Если взять производную по d от этого выражения, полагая температуру постоянной, то получается выражение:
<5г >=571,5 + cpco2 <1- - ») •
представляющее собой зависимость значений энтальпий от содержания углекислоты при постоянной температуре. Следовательно, это выражение, являясь уравнением прямой, показывает в координатной системе i - d геометрическое место точек, имеющих постоянную температуру t = const, т.е. изотерму. Для изотермы tH это выражение примет вид:
)<„ = 571,5 ,
что в конечных разностях дает равенство Ai = 571,5 х Ad, а так как на оси ординат i масштаб в 571,5 раза меньше, чем на условной оси абсцисс d, то длины отрезков Ai и 571,5 х Ad на этих осях одинаковы. Изменяя величину приращения Ad и получая приращение Ai, всегда равные 571,5 х Ad, можно нанести изотерму tH, которая проходит под углом 45° к истинной оси абсцисс. При температуре t > tH ординаты точек изотермы окажутся на величину [Cpco (tH - t)] х Ad больше, чем для изотермы tH при одинаковых
абсциссах Ad, а при температуре t < tH - меньше на такую же величину.
В общем случае для построения изотерм следует пользоваться уравнением Ai = [571,5 + Cpco (tH - t)] х Ad, кДж/кг ,
или
Ai = [571,5 + Cpc02 (tH - t)] х , мм
Полученные значения ординат Ai для любого значения абсцисс Ad при t Ф tH будут отличаться от Ad на величину Х, т.е. Х = Ad - Ai. Для того, чтобы построить изотерму для какой-либо температуры, нужно от горизонтальной линии, соответствующей значению этой температуры, отложить на расстоянии Ad отрезок Х вниз, если t < tH , или вверх, если t > tH и соединить полученную точку с точкой, которая соответствует значению этой температуры на оси ординат.
Содержание углекислоты в смеси d = , т.е. d представляет собой количество
углекислоты, приходящееся на 1 кг азота. Если это уравнение выразить в молях, то молекулярное содержание углекислоты:
°СР2
Z =
_ 44
GN2 28
где 44 - молекулярный вес углекислоты, 28 - молекулярный вес азота.
44
Следовательно, d = — х Z = 1,571 х Z.
28
Если обозначить через Р суммарное давление смеси, а через Рсо? - парциальное давление углекислоты, то (Р = Рсо ) будет представлять собой парциальное давление азота в смеси, т.к. в смеси идеальных газов числа молей отдельных газов, входящих в
смесь, относятся между собой как парциальные давления этих газов, то Z = Рс°2
Р - РС°2
моля/моль, а d = 1,571 Рс°2 кг/кг. Если парциальное давление углекислоты Рсо равно
Р - РС02 2
давлению насыщения P'CO при данной температуре, то содержание углекислоты при насыщении d' = 1,571 Рс°2 . Это значит, что 1 кг азота при суммарном давлении Р и
Р - РС°2
температуре t может содержать углекислоты не больше, чем это следует из данного соотношения.
Зная величину суммарного давления Р, задаваясь значениями температуры и определяя для них P'CO , по приведенному выше соотношению определяется величина
d'. Зависимость d' = f (t) на диаграмме i - d представляет собой линию насыщения
Рсо
углекислоты ф = 100% (при Рсо = Р CO относительная влажность ф =-— х 100 =
2 2 P'C°2
100% ).
Применение твердого диоксида углерода в продовольственной службе ВС РФ позволит упростить задачу хранения свежей продукции в охлаждённом виде (мясо, рыбу и другие продукты) и даст возможность сохранить полезные свойства продуктов питания при обеспечении военнослужащих.
Список литературы
1. Суетинов В.П., Данилов М.М, Шестаков Б.В. Нетрадиционные способы производства и применение диоксида углерода // Холод и пищевые производства: Тез. докл. Международ. Науч.-техн. конф. - С.-Пб., 1996. - с. 18 - 19.
2. Данилов М.М., Смирнов А.С. Влияния параметров газовой смеси на энергоэффективность получения твердого диоксида углерода в турбодетандере / VI Междунард. Науч.-техн. Конф. «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»: Материалы конф. - 2013. - с. 31 - 33.
3. Данилов М.М. Моделирование процесса вымораживания диоксида углерода в объеме расширяющегося газового потока // Известие СПбГУНиПТ, 2007. №1. с. 6 - 8.
4. Данилов М.М. Особенности процесса получения твердого диоксида углерода в низкотемпературных турбодетандеров: Диссертация конд.техн.наук. - СПб., 2003. - 143 с.
5. Данилов М.М. Вымораживание диоксида углерода из газовых смесей в проточной части низкотемпературных турбодетандеров // Известия СПбГУНиПТ, 2009. №3/4. с. 10 - 13.
