Lasă-le să se amestece n nu interacționează chimic între ei ideal gazele. Se presupune că sunt cunoscuți parametrii termodinamici inițiali ai stării tuturor componentelor înainte de amestecare și condițiile de amestecare (condițiile de interacțiune cu mediul). Am vrut să găsesc echilibru parametrii stării gazelor după amestecare.
Să luăm în considerare două cazuri de amestecare, pentru simplitate, presupunând că acest proces are loc fără schimb de căldură cu mediul .
2.1. Amestecarea la W=Const
În acest caz, condițiile de amestecare sunt astfel încât volumul amestecului rezultat W cm este egal cu suma volumelor inițiale ale componentelor amestecului W H i:
(a nu fi confundat W H i cu volume parţiale Wi, discutat la paragraful 1.4.3.)
Denota:
P H i- presiunea initiala i gazul;
T H i,t H i– temperatura de pornire i gazul, respectiv, la 0 La sau 0 Cu.
pentru că întregul sistem de la n gaze atunci când sunt amestecate în condiții W=Const nu efectuează muncă externă, atunci în conformitate cu prima lege a termodinamicii pentru acest caz () putem scrie:
Aici: U cm este energia internă a unui amestec de gaze cu o masă m cm kilograme
cu temperatura T 0 K;
U H i- energie interna i-a masa de gaz m i kilograme
cu temperatura initiala T H i .
Să introducem notația:
u cm este energia internă specifică a unui amestec de gaze la o temperatură T 0 K;
u H i - energie internă specifică i-al-lea gaz cu temperatura initiala T H i .
Atunci ecuația (2.1.1) ia următoarea formă:
(2.1.2)
După cum se știe, pentru un gaz ideal du=C v dT, de unde, la numărarea energiei interne din 0 0 K se poate scrie:
Aici: - medie în interval 0 T 0 K capacitatea termică izocoră de masă a unui amestec de gaze;
Medie în gamă 0 T H i 0 K capacitatea termică izocoră de masă i gazul.
După înlocuirea (2.1.3) în (2.1.2), obținem:
Dar, în conformitate cu paragraful 1.4.10, capacitatea termică de masă reală a unui amestec de gaze este exprimată în termeni de fracțiuni de masă ale componentelor. giși capacitățile lor termice reale, după cum urmează:
În mod similar, media în interval 0 T 0 K Capacitatea termică izocoră de masă a unui amestec de gaze este definită ca:
Înlocuind această expresie în partea stângă a ecuației (2.1.4) obținem:
de unde (2.1.5)
pentru că din ecuația de stare, apoi după substituție m iîn ecuația (2.1.5) obținem în final formula pentru temperatura amestecului n gaze:
După cum se știe, , deci formula (2.1.6) poate fi scrisă sub următoarea formă:
(Trebuie reamintit că produsul este media în intervalul 0- T H i 0 Kmolar capacitate termică izocoră i gazul.)
În literatura de referință, dependențele empirice ale capacității termice de temperatură sunt adesea date pentru interval 0 t 0 С .
După înlocuirea (2.1.8) și (2.1.9) în ecuația (2.1.2), obținem:
Înlocuirea m i valoarea sa , obținem în sfârșit formula pentru temperatura amestecului de gaze în grade Celsius :
exprimând R i prin greutatea moleculară, obținem o altă formulă:
Numitorii formulelor (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) și (2.1.11) conțin capacități termice medii pentru care temperatura amestecului este utilizată ca limită superioară a mediei ( t sau T) a fi determinat. Din acest motiv, se determină temperatura amestecului conform acestor formule metoda aproximărilor succesive .
2.1.1. Cazuri speciale de amestecare a gazelor la W=Const
Să luăm în considerare câteva cazuri speciale de formule (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) și (2.1.11).
1. Fie amestecate gazele, în care dependența exponentului adiabatic K i temperatura poate fi neglijată.
(De fapt La scade odata cu cresterea temperaturii, deoarece
Unde s sau r , A sunt coeficienți empiric pozitivi.
Pentru calcule tehnice în intervalul de la 0 la 2000 0 С, puteți utiliza următoarele formule:
a) pentru gazele biatomice La 1,40 - 0,50 10 -4 t;
b) pentru produsele de ardere La 1,35 - 0,55 10 -4 t.
Din aceste formule se poate observa că efectul temperaturii asupra exponentului adiabatic La devine vizibilă numai la temperaturi de ordinul sutelor de grade Celsius.)
Astfel, dacă presupunem că
atunci formula (2.1.6) ia următoarea formă:
Formula (2.1.12) poate fi utilizată ca primă aproximare pentru formulele (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) și (2.1.11)
2. Să fie amestecate gaze în care capacitățile termice izocorice molare sunt egale și dependența acestor capacități termice de temperatură poate fi neglijată, adică:
Atunci ecuația (2.1.7) ia o formă foarte simplă:
Dacă gazele au capacități termice izocorice molare egale, atunci în conformitate cu ecuația Mayer
capacitățile termice izobare molare trebuie să fie egale între ele și, în consecință, exponenții adiabatici trebuie să fie și ei egali, adică.
În această condiție, ecuația (2.1.12) se transformă în (2.1.13).
2.1.2. Presiunea după amestecarea gazelor la W=Const
Presiunea stabilită după amestecarea gazelor poate fi determinată fie prin formulele de la punctul 1.4.2, fie din condiția:
R cm W cm = m cm R cm T= m cm T.
Se lasă să intre vase termostatate separate sub aceeași presiune p sunt gaze DARși LA luate în cantităţi de imol. Când aceste vase sunt conectate, va avea loc amestecarea spontană a gazelor până când se stabilește o compoziție omogenă a amestecului de gaze pe întregul volum al sistemului. Vom presupune că gazele inițiale și amestecurile lor respectă ecuațiile de stare a gazelor ideale. Apoi, menținând o presiune totală constantă a gazului p presiunile parțiale ale gazelor din amestecul rezultat vor fi egale cu
Atunci când gazele ideale sunt amestecate, nu există efecte termice, deci nu există schimb de căldură între gaze și termostat, iar modificarea entropiei sistemului va fi complet determinată de ireversibilitatea proceselor din interiorul sistemului.
Pentru a găsi schimbarea dorită a entropiei, este necesar să contracarăm procesul spontan descris cu o tranziție de echilibru mental între aceleași stări inițiale și finale ale sistemului.
Pentru amestecarea în echilibru a gazelor, folosim un dispozitiv ipotetic special, prin analogie cu un termostat numit chemostat . Acest dispozitiv este format dintr-un cilindru controlat termostatic dotat cu un piston care se misca fara frecare; la baza cilindrului există o membrană permeabilă selectiv numai pentru o anumită substanță chimică individuală; acesta din urmă separă substanța individuală încărcată în chemostat de amestecul de substanțe studiat aflat într-un alt vas. Spre deosebire de un termostat, conceput pentru a menține o anumită temperatură a unui corp scufundat în acesta, sau pentru a-l încălzi sau răci pe acesta din urmă într-un mod de echilibru, cu ajutorul unui chemostat, o anumită valoare a potențialului chimic al unei anumite substanțe individuale în se menține amestecul de substanțe aflat în studiu, precum și un echilibru de alimentare și îndepărtare a unei substanțe din amestecuri. Potential chimic i -componenta gochimică dintr-un chemostat este determinată în mod unic de temperatură Tși presiunea asupra pistonului. Prin modificarea presiunii asupra pistonului, este posibilă schimbarea direcției de tranziție a unei anumite componente prin membrana selectivă: dacă este potențialul chimic al componentului din amestecul studiat, atunci la , substanța va fi furnizată către amestec, la , se va îndepărta din amestec, iar la , se menține echilibrul chimic între chemostat și amestec. Schimbarea de cvasi-echilibru a compoziției amestecului corespunde transferului de difuzie al unei substanțe prin membrană sub acțiunea unei diferențe foarte mici în valorile potențialului chimic de pe ambele părți ale membranei.
Potențialul chimic al unui gaz ideal, indiferent dacă acest gaz se află într-o stare individuală sau în amestec cu alte gaze ideale, este exprimat printr-o relație simplă, unde p i este fie presiunea unui gaz pur, fie presiunea sa parțială în amestec. Prin urmare, atunci când un gaz ideal este transferat printr-o membrană semipermeabilă, echilibrul dintre amestec și chemostat este caracterizat de egalitatea presiunii din chemostat și a presiunii parțiale a gazului din amestec.
Orez. 2.3. Amestecarea în echilibru a două gaze folosind chemostate: A este starea inițială a sistemului; b– starea sistemului după dilatarea izotermă a gazelor; în– starea finală după amestecarea gazelor prin membrane; 1 – chemostate pentru gaze individuale A și B ; 2 – membrane semipermeabile; 3 - vas pentru amestecarea de echilibru a gazelor.
Amestecarea în echilibru a gazelor ideale Ași B va fi realizat într-un sistem controlat termostatic format din două chemostate de componente individuale Ași B, conectat la al treilea vas - un colector al amestecului rezultat, echipat, asemenea unor chemostate, cu un piston mobil (Fig. 2.3).
Fie ca în momentul inițial chemostatele să conțină, respectiv, moli de componentă Ași moli ai componentului B sub aceeași presiune p
; pistonul din colectorul de amestec este în poziția zero (volumul de gaz sub piston este zero). Procesul de amestecare se realizează în două etape. În prima etapă, efectuăm o expansiune izotermă reversibilă a gazelor Ași B; în timp ce presiunea A reducem din p
până la presiunea și presiunea setate B respectiv din p
inainte de . Volumele ocupate de gaze în primul și al doilea chemostat se vor schimba de la la și respectiv de la la. Lucrul efectuat de gazul în expansiune în primul chemostat este 
; in secunda 
. Astfel, în prima etapă, munca totală este efectuată în dispozitivul nostru ipotetic. Deoarece în timpul expansiunii izoterme a unui gaz ideal energia sa internă nu se modifică, munca specificată este efectuată datorită alimentării echivalente de căldură de la termostat. Prin urmare, modificarea reversibilă a entropiei în sistem va fi egală cu
În a doua etapă a procesului (amestecarea reală), trecem gazele de la chemostate prin membrane selective în colectorul de amestec prin mișcarea sincronizată a trei pistoane. Totodată, se menține o presiune constantă pe fiecare dintre pistoane, respectiv, atât în chemostate, cât și în colector, ceea ce asigură trecerea de echilibru a gazelor prin membrane (mai exact, se creează o presiune în colector care este putin mai putin decat p , menținând în același timp o forță motrice diferită de zero pentru difuzia prin membrane). Reversibilitatea procesului de amestecare în acest caz este asigurată de posibilitatea unei schimbări sincrone a direcției de mișcare a tuturor celor trei pistoane, ceea ce ar duce la o separare inversă a amestecului în componente individuale. După finalizarea operațiunii, amestecul va lua evident volum în colector.
Întrucât, în cazul gazelor ideale, amestecarea nu este însoțită de niciun efect termic, nu există schimb de căldură între dispozitivul nostru și termostat la a doua etapă a operațiunii, . În consecință, nu există nicio modificare a entropiei sistemului în această etapă, .
Este util să se verifice prin calcul direct că munca gazelor în a doua etapă este zero. Într-adevăr, se cheltuiește munca la mișcarea pistoanelor în chemostate, în timp ce, în același timp, aceeași cantitate de muncă este produsă în colector de gaze. De aici.
Deci, creșterea totală a entropiei la amestecarea gazelor este determinată de expresia (2.9), . Dacă, în varianta de echilibru a amestecării, această creștere este asociată cu furnizarea inversă de căldură și producerea unei cantități echivalente de muncă 
, apoi cu amestecarea directă (ireversibilă) a gazelor, aceeași creștere a entropiei are loc datorită generării acesteia în interiorul sistemului; sistemul nu funcționează.
După substituție (2.8), expresia (2.9) poate fi rescrisă ca
. (2.10)
Această relație i se acordă un loc obligatoriu în cursurile de termodinamică datorită aparentului ei paradox. Este de remarcat faptul că, pentru modificarea entropiei (când se amestecă gazele ideale!) Nu contează ce este amestecat cu ce și, de asemenea, la ce presiune și temperatură. În esență, iată o derivație informală a (2.10).
Să completăm derivația (2.10) cu corolarele sale utile. Introducerea fracțiilor molare ale componentelor 
și , obținem o expresie pentru modificarea entropiei per 1 mol din amestecul rezultat:
. (2.11)
Maximul acestei funcții cade pe amestecul echimolar de gaze, 0,5.
Din punctul de vedere al teoriei separării amestecurilor de substanțe, este interesant să se urmărească modificarea producției de entropie atunci când se adaugă un număr suficient de mare de moli ai componentului. B la un mol din componentă A. Presupunând în (2.10) și , obținem
La derivarea (2.12), am folosit reprezentarea matematică a funcției logaritmice
.
Formula (2.12) arată că diluția succesivă a amestecului este însoțită de o creștere infinită a entropiei pe mol a componentului de impuritate.
Formula (2.10) dă valoarea integrală a incrementului de entropie la amestecarea cantităților finite de gaz. Pentru a ajunge la o expresie diferențială compactă similară cu formula (2.7) pentru transferul de căldură, modificăm modelul de amestecare a componentelor (vezi Fig. 2.4). Vom presupune că amestecarea are loc printr-o membrană permeabilă la ambele componente sau printr-o supapă suficient de îngustă care separă vasele pline cu amestecuri. Ași B compoziție diferită. Sistemul este controlat termostatic, iar presiunea constantă este menținută în ambele vase prin intermediul pistoanelor. p . Cu o rată de amestecare limitată, compoziția amestecului din fiecare dintre vase poate fi considerată uniformă pe tot volumul vasului. Astfel, acest sistem este similar cu un sistem de schimb de căldură cu un deflector slab conductiv.
Capitolul 9. Informaţii generale despre amestecarea gazelor.
Scopurile și obiectivele capitolului:
Aflați despre regulile de siguranță la incendiu atunci când lucrați cu oxigen
Aflați despre regulile de manipulare și lucru cu oxigenul
Aflați despre aplicarea „regula 40%”
Aflați despre diferitele sisteme de amestecare a gazelor.
Termeni noi în acest capitol.
Triunghi inflamabil (inflamabil).
Lubrifiant compatibil cu oxigen
Încălzire adiabatică (proces diesel)
curatare cu oxigen
regula 40%.
Amestecare la presiune parțială
Amestecare cu debit constant
Absorbție cu curățare periodică a absorbantului
separarea membranei.
În calitate de scafandru care folosește amestecuri îmbogățite în scufundări, ar trebui să puteți obține aceste amestecuri. Nu trebuie să știți cum să pregătiți singur nitrox, cu toate acestea, ar trebui să înțelegeți modul în care sunt pregătiți și să fiți conștienți de cerințele de curățare ale echipamentului dvs. care sunt impuse de utilizarea nitroxului. Unele dintre metodele de îmbogățire utilizate în mod obișnuit sunt analizate în acest capitol și sunt discutate avantajele și dezavantajele acestora. Amestecul pe care îl respirați trebuie să aibă conținutul corect de oxigen.
1. Manipularea și lucrul cu oxigen.
Oxigenul este un gaz uimitor. El poate fi atât un prieten, cât și un dușman. La amestecarea gazelor pentru utilizarea în scufundări, operatorul trebuie să obțină conținutul adecvat de oxigen al amestecului de înaltă presiune. Acest lucru se poate face prin amestecarea oxigenului pur cu azot sau aer, sau prin eliminarea unei părți a azotului din aer. Principala problemă cu amestecarea oxigenului de înaltă presiune este pericolul de incendiu. Orice lucru care nu este complet oxidat - ceea ce înseamnă practic orice - va arde în oxigen de înaltă presiune atunci când este prezentă o sursă de aprindere. Există un anumit risc la manipularea amestecurilor, dar există un risc mult mai mare atunci când manipulați oxigenul comprimat pur. Un scafandru care folosește amestecuri îmbogățite nu trebuie să fie capabil să manipuleze oxigenul pur, dar ar trebui să înțeleagă factorii de risc asociați, deoarece oxigenul intră în uz pe măsură ce activitățile scafandrului devin mai complexe și extinse.
2. Triunghi inflamabil (periculos de incendiu).
Pentru a preveni un incendiu, este necesar să știți care sunt ingredientele care provoacă și întrețin incendiul. Aceste componente sunt prezentate în figură.
sub forma așa-numitului „triunghi inflamabil sau periculos de incendiu”. Focul este o reacție chimică rapidă între combustibil și oxigen (oxidant) care poate avea loc numai în prezența unei surse de aprindere (căldură). Oxidarea poate avea loc fără aprindere, ca, de exemplu, în procesul de ruginire. Incendiul apare atunci când există o sursă de aprindere (căldură). După aprindere, în timpul reacției chimice de ardere, se eliberează energie (căldură), care susține arderea în continuare. Dacă scoatem unul dintre ingrediente (combustibil, oxigen, sursa de aprindere), focul nu poate începe. Dacă, prin urmare, toate cele trei componente nu sunt prezente în același timp, aprinderea va fi împiedicată. Dacă flacăra există deja, îndepărtarea uneia dintre componente va face ca flacăra să se stingă. Acestea sunt bazele teoriei stingerii incendiilor. Un alt punct important este că focul trebuie să se răspândească pentru a-și susține existența. Uneori, dorința de a răspândi focul este chiar adăugată ca o altă componentă a „triunghiului” descris mai sus.
3. Oxigen.
În situațiile discutate mai jos, oxigenul este prezent în concentrații mai mari decât concentrația sa în aer. Aceasta înseamnă că agentul de oxidare din „triunghiul inflamabil” este întotdeauna prezent implicit și nu poate fi îndepărtat din această „formulă de foc”. Toată lumea știe că oxigenul atmosferic, în circumstanțe adecvate, poate participa activ la reacția de ardere, așa că nu ar trebui să fie surprinzător că o concentrație mai mare a acestuia nu poate decât să crească riscul. Mai mult, trebuie amintit că un conținut crescut de oxigen în aer înseamnă un conținut redus de gaz inert. Din acest motiv și din alte motive, intensitatea arderii nu depinde liniar de procentul de oxigen. Depinde atât de procentul (cota) de oxigen din amestec, cât și de presiunea parțială a acestuia și crește semnificativ odată cu creșterea acestor parametri.
4. Combustibil.
În acest paragraf, vom vorbi despre combustibilul disponibil în sistemul de gaze care asigură utilizarea gazului pentru respirație. La presiuni mari de oxigen, în caz de incendiu, sistemul în sine poate deveni un combustibil pentru o reacție chimică, dar este nevoie de ceva mai ușor inflamabil pentru a aprinde un incendiu. Poate fi o parte separată a sistemului, solvent, lubrifiant, componente moi ale sistemului (cauciuc, plastic).
Unele tipuri de combustibili disponibili în sistemele de gaze pot fi practic neinflamabili în condiții normale și foarte combustibili în medii îmbogățite cu oxigen. Aceste tipuri de combustibili includ grăsime siliconică, cauciuc siliconic, neopren, lubrifianți pentru compresoare, așchii și bavuri din plastic și metal, materie și materiale organice, praf de diferite naturi, chiar și grăsime de pe cerc. Poate că cei mai periculoși combustibili sunt lubrifianții. Există o concepție greșită comună că siliconul (poate din cauza numelui exotic) este sigur atunci când este utilizat cu oxigen. De fapt nu este. Există lubrifianți speciali compatibili cu oxigen, cum ar fi Christo-lube, Krytox, Halocarbon. Acești autolubrifianți ar trebui folosiți într-un mediu îmbogățit cu oxigen.
5. Aprindere.
Unele surse de aprindere sunt evidente, cu toate acestea, majoritatea sunt în afara sistemului de gaz și nu sunt luate în considerare aici. Cele două surse principale de aprindere dintr-un sistem sunt frecarea și compresia gazului pe măsură ce acesta trece prin sistem. Termenul „frecare” este folosit aici într-un sens general: în sensul prezenței oricăror particule în fluxul de gaz sau în sensul mișcării curentului de gaz în sine și al coliziunii sale cu colțurile conductelor de gaz sau alte obstacole. . Un alt fenomen - același care provoacă încălzirea cilindrului - poate provoca și un incendiu (dacă se degajă o cantitate suficientă de căldură). Acesta este același efect care aprinde combustibilul într-un motor diesel fără bujie. Acest efect se numește „încălzire adiabatică (procesul Diesel)”.
Deschiderea și închiderea bruscă a supapei cilindrului în timpul comprimării gazului poate provoca o creștere a temperaturii până la punctul de aprindere, iar dacă există contaminanți în fluxul de gaz, aprinderea în sine. Prin urmare, compresoarele nu folosesc supape de schimbare rapidă („supape cu bilă”).
6. Utilizarea sistemelor de oxigen.
Punctul important din acest capitol este că riscul în manipularea oxigenului poate fi minimizat prin respectarea anumitor reguli în proiectarea și manipularea sistemului. În special, este important să se evite colțurile ascuțite și supapele de schimbare rapidă și să se utilizeze materiale adecvate. Metalele folosite la fabricarea sistemelor de aer sunt potrivite și pentru realizarea sistemelor de oxigen. În ceea ce privește „piesele moi”, precum garniturile, îmbinările flexibile, diafragmele, acestea trebuie înlocuite cu altele compatibile cu oxigenul. În unele cazuri, criteriul principal este o inflamabilitate mai mică a oxigenului, dar în majoritatea cazurilor, rezistența crescută la oxigen la presiune ridicată. Sunt disponibile kituri speciale pentru a transforma echipamentele aeriene în echipamente pentru utilizarea nitrox.
În special, este necesar să se efectueze curățarea corectă a echipamentului și să se păstreze echipamentul curat, să se folosească lubrifianți corespunzători, să se manipuleze gazele pentru a nu provoca aprindere, să se deschidă supapele încet și fără probleme.
7. Echipamente de curățare pentru utilizare cu oxigen. Câteva considerații referitoare la curățarea echipamentelor.
Conceptul de „curățare cu oxigen” provoacă o oarecare confuzie în rândurile scafandrilor de agrement. Motivul este că nu este complet clar dacă echipamentul trebuie curățat pentru a fi utilizat cu amestecuri care conțin 21% până la 40% oxigen. Această problemă este mai profundă: nu există proceduri industriale dezvoltate și standardizate pentru manipularea amestecurilor care conțin o cantitate intermediară de oxigen în intervalul de la 21% (aer) la 100% (oxigen pur). Standardele există doar pentru manipularea oxigenului pur; astfel, orice amestec care contine mai mult de 21% oxigen este, din punct de vedere al standardelor existente, echivalent cu oxigenul pur. Prin urmare, pentru a efectua toate operațiunile în conformitate cu standardele industriei, este necesar să se trateze orice amestec îmbogățit ca oxigen pur.
Asociația pentru gaze comprimate (CGA), Asociația Națională pentru Protecția împotriva incendiilor (NFPA), NASA și o serie de alte organizații recomandă ca gazele aflate între concentrații să fie tratate ca oxigen pur. Acest lucru nu înseamnă că au efectuat studii în acest interval de concentrații. Acest lucru arată doar că nu există norme dezvoltate și acceptate industrial, iar aceste organizații preferă să adopte o poziție conservatoare. Pe de altă parte, Marina SUA a dezvoltat proceduri care afirmă că amestecurile de până la 40% oxigen pot fi tratate ca aer în scopuri de manipulare. Nu au fost publicate rezultate ale testelor care să indice că această concluzie este adevărată, cu toate acestea, această abordare a fost practicată de mulți ani și nu au existat rapoarte de incidente legate de această problemă. NOAA a adoptat această limită de concentrație atunci când funcționează cu amestecuri îmbogățite; NAUI, în general, de asemenea, însă, cu unele limitări.
Curățați aerul comprimat.
O altă confuzie apare în legătură cu conceptul de „aer curat”. Diferitele „grade” de puritate a gazelor de respirație utilizate de diferite asociații și organizații (CGA, US Navy) sunt confuze când vine vorba de puritatea gazului îmbogățit. Standardele permit niște vapori de ulei (hidrocarburi) în aerul comprimat (de obicei 5 mg/m3). Această cantitate este sigură din punct de vedere al respirației, dar poate fi periculoasă din punct de vedere al focului atunci când se lucrează cu oxigen comprimat.
Astfel, nu există gradări general acceptate și agreate ale purității aerului care să determină adecvarea acestuia pentru amestecarea cu oxigen pur. Legiuitorii standardelor din industrie au convenit că nivelul hidrocarburilor este de ordinul a 0,1 mg/cu. m poate fi considerat acceptabil pentru aer, care „trebuie amestecat în continuare cu oxigen”. În ultimii câțiva ani, sistemele de filtrare (foto) au devenit disponibile pentru a produce aer comprimat care îndeplinește aceste cerințe. Compresoarele care împiedică aerul să intre în contact cu lubrifiantul fac o treabă mai bună, desigur, dar sunt semnificativ mai scumpe O abordare oficială a curățării cu oxigen.
Expresia „curățare cu oxigen” sună înfricoșător și pentru că implementarea sa industrială necesită respectarea unor proceduri destul de stricte. Aceste proceduri efectuate periodic sunt publicate de CGA și alte organizații. Sunt concepute pentru a menține siguranța atunci când lucrează cu oxigen comprimat.
NAUI afirmă că orice echipament destinat utilizării cu oxigen pur sau amestecuri care conțin mai mult de 40% oxigen la presiuni mai mari de 200 psi (aproximativ 13 atm) trebuie să fie compatibil cu oxigenul și să fie purificat pentru utilizare cu oxigen. Cilindrul, prima treaptă a regulatorului și toate furtunurile trebuie curățate. Unele echipamente pot fi transformate pentru a lucra cu aceste amestecuri folosind componente din kituri speciale.
8. Abordare neformalizată a curățării cu oxigen: „regula 40%”
În ciuda lipsei unor teste formale, așa-numita „regula 40%” a fost aplicată cu destul de mult succes în industria scufundărilor, iar aplicarea acesteia nu a scos la iveală nicio problemă. Au avut loc numeroase incendii în sistemele de amestecare pentru scufundări, dar au fost cauzate de concentrații mai mari de oxigen.
NAUI acceptă această regulă, dar impune ca echipamentele să fie oxi-curățate și să utilizeze lubrifianți compatibili cu oxigen. Această abordare este mai puțin strictă decât cea formală, totuși, atunci când este făcută corect, este foarte eficientă. Curățarea trebuie efectuată de tehnicieni calificați.
Echipamentul trebuie curățat de toată murdăria și grăsimea vizibilă, apoi periat sau curățat cu ultrasunete folosind un detergent puternic în apă fierbinte. Produse de curățare lichide bune pentru uz casnic, cum ar fi Joy. Curățenia nu ar trebui să fie mai rea decât cea așteptată de la farfurii și tacâmurile din argint. După uscare, componentele moi trebuie înlocuite cu altele compatibile cu oxigen, după care echipamentul este lubrifiat cu un lubrifiant compatibil cu oxigen.
Dupa curatare, echipamentul trebuie folosit doar pentru amestecuri bogate si nu trebuie folosit cu aer comprimat, altfel va trebui curatat din nou.
9. Prepararea amestecurilor îmbogățite.
Schema tradițională de construire a unui sistem de amestecare a gazelor se bazează pe adăugarea de oxigen în aer într-un fel sau altul. Recent dezvoltate și puse la dispoziție sunt două metode noi care îmbogățesc aerul într-un mod diferit - prin eliminarea azotului. În acest paragraf vor fi luate în considerare 3 metode cu adaos de oxigen: amestecarea în greutate, amestecarea presiunilor parțiale, amestecarea cu debit constant; și 2 metode de îndepărtare a azotului: absorbția cu curățarea periodică a absorbantului, separarea prin membrană (Ballantyne și Delp, 1996).
Tipul de sistem de amestecare a gazelor utilizat este important pentru utilizatorul final, deoarece determină procedurile de umplere a buteliei și intervalul de concentrații posibile de oxigen în amestecul rezultat.
Amestecarea gazelor în greutate.
Cea mai simplă și mai fiabilă metodă de obținere a amestecurilor care sunt precise în compoziție este achiziționarea de amestecuri gata preparate. Producătorii industriali de gaz amestecă de obicei oxigen pur și azot pur, mai degrabă decât oxigen pur și aer.
Gazele sunt amestecate în greutate. Acest lucru face posibilă ignorarea multor anomalii în comportamentul gazelor cauzate de diferența lor față de cele ideale și oferă o compoziție de gaz foarte precisă a amestecurilor. Amestecarea se poate face în sticle, cutii de sticle sau rezervoare. Este necesar să existe cântare precise, care sunt foarte scumpe, deoarece trebuie să poată măsura modificări mici cu o greutate mare. Această metodă de amestecare a gazelor este cea mai precisă, iar amestecurile rezultate sunt analizate cu atenție pentru conformitatea cu compoziția efectivă a declarată. La formularea unor astfel de amestecuri, compania industrială este nevoită să folosească oxigen pur, dar comerciantul de amestec poate evita acest lucru. Această metodă este destul de costisitoare, iar costul ei este crescut de faptul că recipientele pentru depozitarea amestecurilor aparțin furnizorului amestecurilor și, prin urmare, sunt închiriate de vânzătorul amestecurilor.
Amestecarea presiunilor parțiale.
După cum spune și numele metodei, se bazează pe raportul presiunilor parțiale. Tehnicianul umple cilindrul cu o cantitate predeterminată de oxigen (care este măsurată prin presiune), apoi îl reumple cu aer ultrapur până la presiunea finală dorită. Oxigenul este pompat mai întâi când cilindrul este încă gol, ceea ce reduce riscul de incendiu al procedurii, deoarece nu este nevoie să manipulați oxigenul la presiunea maximă a cilindrului umplut. Deoarece se folosește oxigen pur, întregul sistem, inclusiv cilindrul care se umple, trebuie să fie compatibil cu oxigenul și curățat. Deoarece presiunea depinde de temperatură și balonul se încălzește în timpul umplerii, trebuie fie să lăsați balonul să se răcească, fie să țineți cont de efectul temperaturii atunci când măsurați presiunea. Deoarece ajustarea finală a compoziției este adesea efectuată după răcirea finală a cilindrului, întregul proces de preparare a amestecului durează destul de mult. Acest procedeu poate fi folosit și pentru a umple un recipient cu un amestec dintr-o compoziție cunoscută până la un amestec de aceeași compoziție sau o compoziție definită diferită.
Nu este necesar un compresor pentru amestecare prin această metodă dacă aerul este furnizat la o presiune suficientă pentru a umple rezervoarele de scuba fără compresie suplimentară. Pentru a maximiza utilizarea bancului de butelii de umplere se folosește așa-numita „tehnologie în cascadă”, care constă în folosirea mai întâi a cilindrului de umplere cu cea mai mică presiune, după care se folosește cilindrul cu cea mai mare presiune și așa mai departe. . Uneori, metoda în sine este numită „metoda de amestecare în cascadă”.
Compresoarele sunt, de asemenea, adesea folosite în această metodă. Nu trebuie să folosească lubrifiere cu ulei sau trebuie să furnizeze aer de puritate ultra-înaltă, potrivit pentru amestecarea cu oxigen. O altă modalitate de a pompa aer într-un cilindru este utilizarea unei pompe pneumatice care comprimă aerul într-un set de cilindri de diferite diametre, ale căror pistoane sunt conectate la un arbore cu came. Incendiul celor mai populare modele - Haskel.
Amestecarea sub presiune parțială este foarte populară în rândul centrelor de scufundări, care pregătesc multe amestecuri diferite în volume mici pentru diverse scopuri de scufundări recreative și tehnice, inclusiv amestecuri cu un conținut de oxigen de peste 40%. În acest caz, o proporție semnificativă din costul sistemului este un manometru de înaltă precizie. În acest caz, utilizarea unei pompe pneumatice este foarte eficientă. Această metodă este utilizată în locurile de scufundări îndepărtate. Deoarece oxigenul este adăugat la presiune scăzută, unii tehnicieni nu curăță buteliile de oxigen. Această practică trebuie evitată: cilindrul trebuie întotdeauna curățat pentru utilizare cu oxigen.
10.Amestecarea cu debit constant.
Această metodă (numită și metoda de încărcare a aerului ambiental) a fost introdusă de NOAA (1979, 1991) și este cea mai ușor de utilizat (Fig. 9-7). În această metodă, oxigenul la presiune scăzută este adăugat în fluxul de aer de admisie care intră în compresor cu un grad ridicat de îndepărtare a vaporilor de ulei. Fluxul de ieșire este analizat continuu pentru compoziție, iar rezultatul acestei analize este utilizat pentru a ajusta în consecință amestecul de oxigen la fluxul de intrare. Fluxul de ieșire poate ocoli banca de cilindri de umplere în timp ce reglați amestecul. Odată ce amestecul a fost pompat în cilindrii de umplere, acesta poate fi apoi transferat în cilindrii de scuba prin bypass sau folosind o pompă de aer. Într-o instalație cu debit constant, un subsistem de absorbție cu curățare periodică a absorbantului PSA poate fi folosit și ca sursă de oxigen.
Există o altă clasă de instalații cu flux constant care furnizează aer unui scafandru comercial printr-un furtun de alimentare cu aer. Astfel de instalații au mijloace de monitorizare a constanței compoziției amestecului - diverse debitmetre și regulatoare. Presiunea lor de ieșire este de obicei în regiunea mai mică de 200 psi (13 atm).
11. Absorbție cu curățarea periodică a absorbantului (PSA).
Această metodă se bazează pe utilizarea unui material numit "sită moleculară" - un material sintetic, poros, asemănător argilului, ai cărui pori asigură o suprafață foarte mare. Această suprafață adsorb gaze ("adsorb" înseamnă "absorb pe suprafață"). Azotul este adsorbit mai repede decât oxigenul, astfel că aerul care trece prin adsorbant devine mai bogat în oxigen (mai precis, mai sărac în azot). Se folosesc două plăci adsorbante, între care se comută fluxul de aer. Când fluxul este direcționat către o singură placă, acesta adsorb azot, a doua placă în acest moment este curățată de azotul adsorbit anterior. Apoi farfuriile își schimbă rolurile.
Prin modificarea presiunii și a frecvenței de curățare a plăcilor, este posibil să se obțină diferite valori ale conținutului de oxigen din amestecul de ieșire. Conținutul maxim de oxigen atins este de 95%, restul este argon. Argonul se comportă în raport cu acest tip de adsorbant aproape ca oxigenul (adică nu este adsorbit), prin urmare va fi conținut în amestecul de ieșire în aproape aceeași proporție cu oxigenul ca și în aerul de intrare. Acest argon nu are niciun efect asupra scafandrului.
Plantele de acest tip nu necesita oxigen la presiune ridicata, dar sunt complexe si destul de costisitoare in ceea ce priveste achizitia si intretinerea; efluentul trebuie pompat în cilindri folosind un compresor curăţat compatibil cu oxigen sau o pompă pneumatică (foto).
12. Separarea membranei.
Această metodă se bazează pe utilizarea unei membrane care, atunci când aerul curat trece prin ea, trece moleculele de oxigen mai bine decât azotul. Amestecul de ieșire este astfel îmbogățit cu oxigen, iar concentrația de oxigen este determinată de fluxul de intrare. Valoarea maximă realizabilă a conținutului de oxigen în sistemele disponibile comercial este de aproximativ 40%. Apropo, aceeași tehnologie este folosită pentru extragerea heliului și în alte procese.
Similar cu unitățile PSA, nu este nevoie să utilizați oxigen de înaltă presiune. Efluentul trebuie pompat în butelii folosind un compresor curățat compatibil cu oxigen sau o pompă pneumatică. Sistemele cu membrană sunt destul de fiabile și nu necesită multă întreținere, cu condiția ca puritatea fluxului de intrare să fie suficientă.
gazele Arhiva
Un amestec gazos de hidrogen și oxigen, dacă lor fracțiile de masă 1 și 2 sunt egale, respectiv ... parametri care caracterizează individul proprietățigaz, și prin urmare este... T=400 K. 8 CAPITOL 1 FUNDAMENTELE FIZICE ALE MECANICII CAPITOL 1 FUNDAMENTE FIZICE ALE MECANICII...
Introducere 3 Capitolul 1 Oamenii de știință și descoperirile lor
Rezumat disertație... capitole. Introducere Capitol 1: Oamenii de știință și lor descoperiri. - Experiența Priestley Capitol 2. Istoria fotosintezei. Capitol 3: Importanța fotosintezei în natură. Capitol... dioxid de carbon gazîn oxigen. Carbonic gaz necesar... potenţial electrochimic. Proprietăți membrana tilacoidala...
Să ne imaginăm trei straturi orizontale A, B și C ale coloanei noastre de gaz, cu stratul B situat deasupra A și A deasupra C. Este întotdeauna posibil să se obțină orice cantitate dintr-un amestec de compoziție A amestecând un anumit volum din stratul C cu un volumul din stratul B. În schimb, orice cantitate dintr-un amestec de compoziție A poate fi descompusă în două amestecuri de compoziție B și C.
Această amestecare și separare a celor două gaze se poate realiza și în mod reversibil, prin întărirea conductelor orizontale în A, B și C. Capătul fiecărei astfel de conducte, care iese din coloana de gaz în exterior, este închis de un piston. Acum vom împinge pistoanele spre interior în straturile B și C, deplasându-le, să zicem, de la stânga la dreapta, iar în punctul A, dimpotrivă, vom împinge pistonul afară, adică de la dreapta la stânga. Apoi, în B și C, unele mase de gaz vor părăsi coloană și, dimpotrivă, un anumit volum al amestecului va intra în A. Vom presupune că fiecare astfel de țeavă conține o anumită masă a unui amestec de aceeași compoziție cu stratul orizontal al coloanei de gaz cu care comunică această țeavă.
Valorile vor fi apoi determinate din ecuații
De aici rezultă că
Acum împărțim amestecul într-un mod reversibil și calculăm munca cheltuită.
Introducem in A unitatea de volum a amestecului, iar din B si deducem, respectiv, volumele
Munca totală efectuată în acest proces este
înlocuind valorile aici, vedem că această lucrare este egală cu zero.
Există o oarecare subtilitate aici: amestecurile B și în care amestecul A s-a destrămat sunt ridicate la diferite înălțimi și astfel dobândesc diferite energii potențiale. Dar, deoarece munca este zero și temperatura sistemului este constantă, atunci acest lucru este posibil numai dacă sistemul a dat sau a primit o anumită cantitate de căldură. Cunoscând schimbarea energiei potențiale, găsim cantitatea de căldură comunicată sistemului și, prin urmare, modificarea entropiei.
Creșterea energiei potențiale va fi
dar este egală cu cantitatea de căldură transmisă sistemului, deci creșterea entropiei va fi egală cu
La o astfel de valoare, suma entropiilor volumului amestecului B și volumului amestecului C este mai mare decât entropia unei unități de volum a amestecului A. De aici, se pot găsi volumele amestecurilor B și C, a căror suma entropiilor este egală cu entropia unei unități de volum a amestecului A; Pentru a face acest lucru, să aducem volumele amestecurilor B și C într-un mod izoterm reversibil la volume și să echivalăm suma incrementelor de entropie ale ambelor amestecuri în acest proces cu expresia (75), luată cu semnul opus.
Incrementul de entropie pentru amestecul B va fi
Să substituim în ecuația (76) expresia presiunilor în termeni de densități
1. Amestecarea gazelor la V=const. Dacă volumul total ocupat de gaze înainte și după amestecare rămâne neschimbat, iar gazele înainte de amestecare ocupă volume V 1, V 2, ... .. V n m 3 la presiuni p 1, p 2, p n și temperaturile T 1, T 2, Т n , iar raportul capacităților termice ale acestor gaze cu р /с v sunt egale cu k 1 , k 2 ,…. k n , atunci parametrii amestecului sunt determinați prin formulele:
temperatura
presiune
(5.15)
Pentru gazele ale căror capacități termice molare sunt egale și, prin urmare, valorile lui k sunt egale, formulele (62) și (63) iau forma:
2. Amestecarea fluxurilor de gaz. Dacă debitele masice ale fluxurilor de amestec sunt egale cu M 1, M 2, ... M n, kg / h, debitele volumetrice sunt V 1, V 2, ... .. V n m 3 / h, gaz presiunile - p 1 , p 2 , p n și temperatura - T 1 , T 2 ,…T n , iar rapoartele capacităților termice ale gazelor individuale sunt, respectiv, k 1 , k 2 ,…. k n , atunci temperatura amestecului este determinată de formula:
(5.18)
Debitul volumetric al amestecului pe unitatea de timp la temperatura T și presiunea p:
(5.19)
Pentru gazele ale căror k valori sunt egale, temperatura amestecului este determinată de formula (64). Dacă fluxurile de gaz, pe lângă aceleași valori ale lui k, au și presiuni, atunci formulele (66) și (67) iau forma:
(5.21)
Sarcini
5.1. Găsiți modificarea energiei interne a 1 kg de aer în timpul tranziției sale de la starea inițială t 1 \u003d 300 0 C la starea finală la t 2 \u003d 50 0 C. Luați ca liniară dependența capacității de căldură de temperatură. Dați răspunsul în kJ.
Modificarea energiei interne se găsește prin formula (5.9):
Du \u003d C vm (t 2 -t 1).
Folosind tabelul. 4.3, primim aer
(С vm) 0 t =0,7084+0,00009349t kJ/(kg K);
(С vm) 50 300 = 0,7084+0,00009349(50+300)=0,7411 kJ/(kg K).
Prin urmare,
Du=0,7411(50-300)= - 185,3 kJ/kg
Răspuns: DU = - 185,3 kJ/kg
5.2. Găsiți modificarea energiei interne a 2 m 3 de aer dacă temperatura acestuia scade de la t 1 \u003d 250 0 C la t 2 \u003d 70 0 C. Acceptați ca liniară dependența capacității de căldură de temperatură. Presiunea inițială a aerului Р 1 =0,6 MPa.
Raspuns: DU=-1063 kJ.
5.3. Gazului închis într-un cilindru cu piston mobil, 100 kJ de căldură sunt furnizate din exterior. Cantitatea de muncă efectuată în acest caz este de 115 kJ. Determinați modificarea energiei interne a gazului dacă cantitatea acestuia este de 0,8 kg.
Răspuns: DU = - 18,2 kJ.
5.4. 2 m 3 de aer la o presiune de 0,5 MPa şi o temperatură de 50 0 C se amestecă cu 10 m 3 de aer la o presiune de 0,2 MPa şi o temperatură de 100 0 C. Se determină presiunea şi temperatura amestecului.
Răspuns: t cm \u003d 82 0 C; P cm \u003d 0,25 MPa.
5.5. Gazele de ardere a trei cazane, care au presiune atmosferică, sunt amestecate în coșul cazanului. Pentru simplitate, se presupune că aceste gaze au aceeași compoziție și anume: CO 2 =11,8%; O 2 \u003d 6,8%; N 2 \u003d 75,6%; H2O=5,8%. Consumul orar de gaz este V 1 =7100 m 3 /h; V 2 \u003d 2600 m 3 / h; V 3 \u003d 11200 m 3 / h și, respectiv, temperaturile gazelor, t 1 \u003d 170 0 C, t 2 \u003d 220 0 C, t 3 \u003d 120 0 C. Determinați temperatura gazelor după amestecare și volumul lor curge prin coș la această temperatură.
Răspuns: t=147 0 С; V=20900 m3/h.
5.6. Gazele de evacuare de la trei cazane de abur la o presiune de 0,1 MPa sunt amestecate în conducta de colectare a gazelor și îndepărtate în atmosferă prin coș. Compoziția volumetrică a gazelor arse de la cazane individuale este următoarea: din prima
C02 = 10,4%; Aproximativ 2 \u003d 7,2%; N2 = 77,0%; H20=5,4%;
din a doua
C02 = 11,8%; O 2 \u003d 6,9%; N 2 \u003d 75,6%; H20=5,8%;
din a treia
C02 = 12,0%; O 2 \u003d 4,1%; N 2 \u003d 77,8%; H20=6,1%.
Consumul orar de gaze este
M1 = 12000 kg/h; M2 = 6500 kg/h; M3 = 8400 kg/h; și, respectiv, temperaturile gazelor, t 1 \u003d 130 0 С; t 2 \u003d 180 0 С; t 3 \u003d 200 0 C.
Determinați temperatura gazelor de ardere după amestecare în canalul de colectare. Să presupunem că capacitățile de căldură molare ale acestor gaze sunt aceleași.
Răspuns: t 2 \u003d 164 0 C.
5.7. În conducta de gaz sunt amestecate trei fluxuri de gaz, având aceeași presiune egală cu 0,2 MPa. Primul flux este azot cu un debit volumic V 1 = 8200 m 3 / h la o temperatură de 200 0 C, al doilea flux este dioxid de carbon cu un debit de 7600 m 3 / h la o temperatură de 500 0 C și al treilea flux este aerul cu un debit de 6400 m 3 / h la o temperatură de 800 0 C. Aflați temperatura gazelor după amestecare și debitul lor volumic în conducta de gaz comună.
Răspuns: t 1 \u003d 423 0 C; V=23000 m3/h.
5.8. Produsele de ardere din coșul cazanului de abur în cantitate de 400 kg/h la o temperatură de 900 0 C trebuie răcite la 500 0 C și trimise la instalația de uscare. Gazele se racesc prin amestecarea curentului de gaz cu curentul de aer la o temperatura de 20 0 C. Presiunea in ambele curente de gaz este aceeasi. Determinați debitul orar de aer dacă se știe că R gaz \u003d R aer. Se presupune că capacitatea termică a produselor de ardere este egală cu capacitatea termică a aerului.
Răspuns: M aer \u003d 366 kg / h.
