Nechajte ich premiešať n chemicky neinteragujúce medzi sebou ideálne plynov. Predpokladá sa, že sú známe počiatočné termodynamické parametre stavu všetkých zložiek pred zmiešaním a podmienky miešania (podmienky interakcie s prostredím). Chcel nájsť rovnováha parametre stavu plynov po zmiešaní.
Uvažujme pre jednoduchosť o dvoch prípadoch miešania za predpokladu, že k tomuto procesu dôjde bez výmeny tepla s okolím .
2.1. Miešanie pri W = Konšt
V tomto prípade sú podmienky miešania také, že objem výslednej zmesi W cm sa rovná súčtu počiatočných objemov zložiek zmesi W H i:
(nezamieňať W H i s čiastočnými objemami Wi, diskutované v odseku 1.4.3.)
Označiť:
PH i- počiatočný tlak i plyn;
T H i,tH i– štartovacia teplota i plynu na 0 Komu alebo 0 S.
Pretože celý systém z n plyny pri zmiešaní za podmienok W = Konšt nevykonáva externú prácu, potom v súlade s prvým zákonom termodynamiky pre tento prípad () môžeme napísať:
Tu: U cm je vnútorná energia zmesi plynov s hmotnosťou m cm kilogramov
s teplotou T 0 K;
U H i- vnútorná energia i- hmotnosť plynu m i kilogramov
s počiatočnou teplotou T H i .
Predstavme si notáciu:
u cm je špecifická vnútorná energia zmesi plynov pri teplote T 0 K;
u H i –špecifická vnútorná energia i- plyn s počiatočnou teplotou T H i .
Potom má rovnica (2.1.1) nasledujúci tvar:
(2.1.2)
Ako je známe, za ideálny plyn du=C v dT, odkiaľ pri počítaní vnútornej energie z 0 0 K dá sa napísať:
Tu: - priemer v rozsahu 0 T 0 K hmotnostná izochorická tepelná kapacita zmesi plynov;
Priemer v rozsahu 0 T H i 0 K hmotnostná izochorická tepelná kapacita i plyn.
Po dosadení (2.1.3) do (2.1.2) dostaneme:
Ale v súlade s odsekom 1.4.10 je skutočná hmotnostná tepelná kapacita zmesi plynov vyjadrená pomocou hmotnostných zlomkov zložiek gi a ich skutočné tepelné kapacity takto:
Podobne aj priemer v rozpätí 0 T 0 K hmotnostná izochorická tepelná kapacita zmesi plynov je definovaná ako:
Dosadením tohto výrazu do ľavej strany rovnice (2.1.4) dostaneme:
odkiaľ (2.1.5)
Pretože zo stavovej rovnice , potom po substitúcii m i do rovnice (2.1.5) nakoniec dostaneme vzorec pre teplotu zmesi n plyny:
Ako je známe, preto vzorec (2.1.6) možno zapísať v nasledujúcom tvare:
(Treba pripomenúť, že produkt je priemer v rozsahu 0- T H i 0 Kmolár izochorická tepelná kapacita i plyn.)
V referenčnej literatúre sa pre rozsah často uvádzajú empirické závislosti tepelnej kapacity od teploty 0 t 0 С .
Po dosadení (2.1.8) a (2.1.9) do rovnice (2.1.2) dostaneme:
Výmena m i jeho hodnotu , nakoniec získame vzorec pre teplotu zmesi plynov v stupňoch Celzia :
vyjadrujúci RI prostredníctvom molekulovej hmotnosti dostaneme ďalší vzorec:
Menovatele vzorcov (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) a (2.1.11) obsahujú priemerné tepelné kapacity, pre ktoré sa teplota zmesi používa ako horná hranica spriemerovania ( t alebo T) byť odhodlaný. Z tohto dôvodu sa určuje teplota zmesi podľa týchto vzorcov metóda postupných aproximácií .
2.1.1. Špeciálne prípady miešania plynov pri W = Konšt
Uvažujme o niekoľkých špeciálnych prípadoch vzorcov (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) a (2.1.11).
1. Nech sa zmiešajú plyny, v ktorých je závislosť adiabatického exponentu K i teplotu možno zanedbať.
(V skutočnosti Komu klesá so zvyšujúcou sa teplotou, pretože
kde s o r , a sú empirické kladné koeficienty.
Pre technické výpočty v rozsahu od 0 do 2000 0 С môžete použiť nasledujúce vzorce:
a) pre dvojatómové plyny Komu 1,40 - 0,50 10 -4 t;
b) na splodiny horenia Komu 1,35 - 0,55 10 -4 t.
Z týchto vzorcov je vidieť, že vplyv teploty na adiabatický exponent Komu sa prejaví až pri teplotách rádovo stoviek stupňov Celzia.)
Ak teda predpokladáme, že
potom vzorec (2.1.6) má nasledujúci tvar:
Vzorec (2.1.12) sa môže použiť ako prvá aproximácia pre vzorce (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) a (2.1.11)
2. Nech sa zmiešajú plyny, v ktorých sú molárne izochorické tepelné kapacity rovnaké a závislosť týchto tepelných kapacít od teploty možno zanedbať, t.j.
Potom má rovnica (2.1.7) veľmi jednoduchý tvar:
Ak majú plyny rovnaké molárne izochorické tepelné kapacity, potom v súlade s Mayerovou rovnicou
molárne izobarické tepelné kapacity sa musia navzájom rovnať a následne sa musia rovnať aj adiabatické exponenty, t.j.
Za tejto podmienky sa rovnica (2.1.12) zmení na (2.1.13).
2.1.2. Tlak po zmiešaní plynov pri W = Konšt
Tlak stanovený po zmiešaní plynov možno určiť buď podľa vzorcov v bode 1.4.2, alebo z podmienky:
R cm W cm = m cm R cm T= m cm T.
Vpustite do samostatných nádob s termostatom pod rovnakým tlakom p sú tam plyny ALE a AT prijaté v množstvách imol. Keď sú tieto nádoby spojené, dochádza k spontánnemu miešaniu plynov, kým sa nevytvorí homogénne zloženie plynnej zmesi v celom objeme systému. Budeme predpokladať, že počiatočné plyny a ich zmesi sa riadia stavovými rovnicami ideálnych plynov. Potom pri udržiavaní konštantného celkového tlaku plynu p parciálne tlaky plynov vo výslednej zmesi sa budú rovnať
Pri zmiešaní ideálnych plynov nedochádza k tepelným účinkom, teda nedochádza k výmene tepla medzi plynmi a termostatom a zmena entropie systému bude úplne určená nevratnosťou procesov vo vnútri systému.
Na nájdenie požadovanej zmeny entropie je potrebné čeliť opísanému spontánnemu procesu mentálnym rovnovážnym prechodom medzi rovnakým počiatočným a konečným stavom systému.
Na rovnovážne miešanie plynov používame špeciálne hypotetické zariadenie, analogicky s termostatom nazývaným chemostat . Toto zariadenie pozostáva z termostaticky riadeného valca vybaveného piestom, ktorý sa pohybuje bez trenia; na dne valca je membrána selektívne priepustná len pre danú jednotlivú chemickú látku; ten oddeľuje individuálnu látku vloženú do chemostatu od skúmanej zmesi látok nachádzajúcej sa v inej nádobe. Na rozdiel od termostatu, ktorý je určený na udržiavanie danej teploty telesa v ňom ponoreného, alebo na jeho zohrievanie či ochladzovanie v rovnovážnom režime, pomocou chemostatu, určitú hodnotu chemického potenciálu danej jednotlivej látky v zmes skúmaných látok, ako aj rovnovážne zásobovanie a odstraňovanie látky zo zmesí. Chemický potenciál i -gochemická zložka v chemostate je jednoznačne určená teplotou T a tlak na piest. Zmenou tlaku na piest je možné zmeniť smer prechodu danej zložky cez selektívnu membránu: ak je chemický potenciál zložky v skúmanej zmesi, potom pri , bude látka privádzaná do zmesi, pri , sa odstráni zo zmesi a pri , sa udržiava chemická rovnováha medzi chemostatom a zmesou. Kvázi rovnovážna zmena v zložení zmesi zodpovedá difúznemu prenosu látky cez membránu pri pôsobení veľmi malého rozdielu hodnôt chemického potenciálu na oboch stranách membrány.
Chemický potenciál ideálneho plynu, bez ohľadu na to, či je tento plyn v individuálnom stave alebo v zmesi s inými ideálnymi plynmi, vyjadruje jednoduchý vzťah, kde p i je buď tlak čistého plynu alebo jeho parciálny tlak v zmesi. Preto pri prechode ideálneho plynu cez semipermeabilnú membránu je rovnováha medzi zmesou a chemostatom charakterizovaná rovnosťou tlaku v chemostate a parciálneho tlaku plynu v zmesi.
Ryža. 2.3. Rovnovážne zmiešanie dvoch plynov pomocou chemostatov: a je počiatočný stav systému; b– stav systému po izotermickej expanzii plynov; v– konečný stav po zmiešaní plynov cez membrány; 1 – chemostatiká pre jednotlivé plyny A a B ; 2 – polopriepustné membrány; 3 - nádoba na rovnovážne miešanie plynov.
Rovnovážne miešanie ideálnych plynov A a B bude prebiehať v termostaticky riadenom systéme pozostávajúcom z dvoch chemostatov jednotlivých komponentov A a B, napojený na tretiu nádobu - zberač výslednej zmesi, vybavený, podobne ako chemostaty, pohyblivým piestom (obr. 2.3).
Nech v počiatočnom momente chemostaty obsahujú móly zložky A a mólov zložky B pod rovnakým tlakom p
; piest v zberači zmesi je v nulovej polohe (objem plynu pod piestom je nulový). Proces miešania sa uskutočňuje v dvoch fázach. V prvej fáze vykonávame reverzibilnú izotermickú expanziu plynov A a B; kým tlak A znížime z p
až po nastavený tlak a tlak B respektíve od p
pred . Objemy, ktoré zaberajú plyny v prvom a druhom chemostate, sa budú meniť od do resp. Práca vykonaná expandujúcim plynom v prvom chemostate je 
; v druhom 
. V prvej fáze sa teda celková práca vykoná v našom hypotetickom zariadení. Keďže pri izotermickej expanzii ideálneho plynu sa jeho vnútorná energia nemení, vykonáva sa špecifikovaná práca vďaka ekvivalentnému prívodu tepla z termostatu. Reverzibilná zmena entropie v systéme sa teda bude rovnať
V druhej fáze procesu (aktuálne miešanie) prechádzame plyny z chemostatov cez selektívne membrány do zberača zmesi synchronizovaným pohybom troch piestov. Zároveň je na každom z piestov, respektíve v chemostatoch aj v kolektore udržiavaný konštantný tlak, ktorý zabezpečuje rovnovážny prechod plynov cez membrány (presnejšie povedané, v kolektore vzniká tlak, ktorý je o niečo menej ako p pri zachovaní nenulovej hnacej sily pre difúziu cez membrány). Reverzibilita procesu miešania je v tomto prípade zabezpečená možnosťou synchrónnej zmeny smeru pohybu všetkých troch piestov, čo by viedlo k reverznej separácii zmesi na jednotlivé zložky. Po dokončení operácie zmes zjavne naberie objem v kolektore.
Keďže v prípade ideálnych plynov nie je miešanie sprevádzané žiadnym tepelným efektom, nedochádza k výmene tepla medzi naším zariadením a termostatom na druhom stupni prevádzky, . V dôsledku toho nedochádza v tomto štádiu k žiadnej zmene entropie systému.
Je užitočné priamym výpočtom overiť, že práca plynov v druhom stupni je nulová. V chemostatoch sa totiž vynakladá práca na pohyblivé piesty, pričom v rovnakom čase plyny vyprodukujú rovnaké množstvo práce v kolektore. Odtiaľ.
Takže celkový nárast entropie pri zmiešavaní plynov je určený výrazom (2.9), . Ak je pri rovnovážnom variante miešania toto zvýšenie spojené so spätnou dodávkou tepla a výrobou ekvivalentného množstva práce 
, potom pri priamom (nevratnom) miešaní plynov dochádza k rovnakému zvýšeniu entropie v dôsledku jej vytvárania vo vnútri systému; systém nevykonáva žiadnu prácu.
Po substitúcii (2.8) možno výraz (2.9) prepísať ako
. (2.10)
Tento vzťah má v kurzoch termodynamiky pre svoj zdanlivý paradox povinné miesto. Je pozoruhodné, že pre zmenu entropie (pri miešaní ideálnych plynov!) nezáleží na tom, čo sa s čím zmiešava, a tiež pri akom tlaku a teplote. V podstate ide o neformálne odvodenie (2.10).
Doplňme odvodenie (2.10) o jeho užitočné dôsledky. Zavedenie mólových frakcií zložiek 
a získame výraz pre zmenu entropie na 1 mol výslednej zmesi:
. (2.11)
Maximum tejto funkcie pripadá na ekvimolárnu zmes plynov, 0,5.
Z hľadiska teórie oddeľovania zmesí látok je zaujímavé sledovať zmenu produkcie entropie, keď sa pridá dostatočne veľký počet mólov zložky. B na jeden mól zložky A. Za predpokladu (2.10) a dostaneme
Pri odvodzovaní (2.12) sme použili matematickú reprezentáciu logaritmickej funkcie
.
Vzorec (2.12) ukazuje, že postupné riedenie zmesi je sprevádzané nekonečným nárastom entropie na mól nečistoty.
Vzorec (2.10) udáva integrálnu hodnotu prírastku entropie pri zmiešaní konečných množstiev plynu. Aby sme dospeli ku kompaktnému diferenciálnemu vyjadreniu podobnému vzorcu (2.7) pre prenos tepla, modifikujeme model miešania komponentov (pozri obr. 2.4). Budeme predpokladať, že k miešaniu dochádza cez membránu, ktorá je priepustná pre obe zložky, alebo cez dostatočne úzky ventil oddeľujúci nádoby naplnené zmesou A a B odlišné zloženie. Systém je riadený termostatom a v oboch nádobách je udržiavaný konštantný tlak pomocou piestov. p . Pri obmedzenej rýchlosti miešania možno zloženie zmesi v každej z nádob považovať za jednotné v celom objeme nádoby. Tento systém je teda podobný systému výmeny tepla so slabo vodivou prepážkou.
Kapitola 9. Všeobecné informácie o zmiešavacích plynoch.
Ciele a ciele kapitoly:
Získajte informácie o pravidlách požiarnej bezpečnosti pri práci s kyslíkom
Prečítajte si o pravidlách manipulácie a práce s kyslíkom
Získajte informácie o uplatňovaní „pravidla 40 %“
Získajte informácie o rôznych systémoch miešania plynu.
Nové pojmy v tejto kapitole.
Horľavý (horľavý) trojuholník
Lubrikant kompatibilný s kyslíkom
Adiabatický ohrev (dieselový proces)
čistenie kyslíkom
40% pravidlo
Miešanie za čiastočného tlaku
Miešanie s konštantným prietokom
Absorpcia s pravidelným čistením absorbentu
membránová separácia.
Ako potápač, ktorý pri svojich ponoroch používa obohatené zmesi, by ste mali byť schopní tieto zmesi získať. Nemusíte vedieť, ako si nitrox pripraviť sami, mali by ste však rozumieť tomu, ako sa pripravujú, a mali by ste si byť vedomí požiadaviek na čistenie vášho zariadenia, ktoré si vyžaduje používanie nitroxu. Niektoré z bežne používaných metód obohacovania sú zhrnuté v tejto kapitole a rozoberáme ich výhody a nevýhody. Zmes, ktorú dýchate, musí mať správny obsah kyslíka.
1. Manipulácia a práca s kyslíkom.
Kyslík je úžasný plyn. Môže byť priateľom aj nepriateľom. Pri miešaní plynov na potápanie musí operátor získať vhodný obsah kyslíka vo vysokotlakovej zmesi. To sa dá dosiahnuť zmiešaním čistého kyslíka s dusíkom alebo vzduchom alebo odstránením časti dusíka zo vzduchu. Hlavným problémom pri miešaní vysokotlakového kyslíka je nebezpečenstvo požiaru. Všetko, čo nie je úplne zoxidované - čo znamená prakticky čokoľvek - bude horieť vo vysokotlakovom kyslíku, ak je prítomný zdroj vznietenia. Určité riziko existuje pri manipulácii so zmesami, ale oveľa väčšie riziko je pri manipulácii s čistým stlačeným kyslíkom. Potápač, ktorý používa obohatené zmesi, nemusí byť schopný manipulovať s čistým kyslíkom, ale mal by mať určité znalosti o súvisiacich rizikových faktoroch, pretože kyslík sa začína používať, keď sa potápačove aktivity stávajú zložitejšími a rozšírenejšími.
2. Horľavý (nebezpečný požiaru) trojuholník.
Aby sa predišlo požiaru, je potrebné vedieť, ktoré zložky spôsobujú a udržujú požiar. Tieto komponenty sú znázornené na obrázku.
v podobe takzvaného „horľavého alebo požiarne nebezpečného trojuholníka“. Oheň je rýchla chemická reakcia medzi palivom a kyslíkom (oxidačným činidlom), ktorá môže nastať iba v prítomnosti zdroja vznietenia (tepla). Oxidácia môže prebiehať bez vznietenia, ako napríklad v procese hrdzavenia. Požiar vzniká, keď je zdroj vznietenia (teplo). Po zapálení sa pri chemickej reakcii horenia uvoľňuje energia (teplo), ktoré podporuje ďalšie horenie. Ak odstránime jednu zo zložiek (palivo, kyslík, zdroj vznietenia), požiar nemôže vzniknúť. Ak teda nie sú prítomné všetky tri zložky súčasne, zabráni sa vznieteniu. Ak plameň už existuje, odstránenie jednej zo zložiek spôsobí zhasnutie plameňa. Toto sú základy teórie hasenia požiarov. Ďalším dôležitým bodom je, že oheň sa musí šíriť, aby sa udržal jeho existencia. Niekedy sa dokonca pridáva túžba rozložiť oheň ako ďalšia zložka vyššie uvedeného „trojuholníka“.
3. Kyslík.
V situáciách diskutovaných nižšie je kyslík prítomný v koncentráciách vyšších ako je jeho koncentrácia vo vzduchu. To znamená, že oxidačné činidlo v „horľavom trojuholníku“ je štandardne vždy prítomné a nemožno ho z tohto „požiarneho vzorca“ odstrániť. Každý vie, že vzdušný kyslík sa za vhodných okolností môže aktívne podieľať na spaľovacej reakcii, takže neprekvapí, že jeho vyššia koncentrácia môže len zvýšiť riziko. Ďalej je potrebné mať na pamäti, že zvýšený obsah kyslíka vo vzduchu znamená znížený obsah inertného plynu. Z tohto a niektorých ďalších dôvodov intenzita spaľovania nezávisí lineárne od percenta kyslíka. Závisí ako od percenta (podielu) kyslíka v zmesi, tak aj od jej parciálneho tlaku a so zvýšením týchto parametrov sa výrazne zvyšuje.
4. Palivo.
V tomto odseku budeme hovoriť o palive dostupnom v plynovom systéme, ktorý poskytuje využitie plynu na dýchanie. Pri vysokých tlakoch kyslíka sa v prípade požiaru môže stať samotný systém palivom pre chemickú reakciu, no na založenie požiaru je potrebné niečo ľahšie horľavé. Môže to byť nejaká samostatná časť systému, rozpúšťadlo, mazivo, mäkké komponenty systému (guma, plast).
Niektoré typy palív dostupných v plynových systémoch môžu byť za normálnych podmienok prakticky nehorľavé a v prostrediach obohatených kyslíkom veľmi horľavé. Tieto druhy palív zahŕňajú silikónové mazivo, silikónový kaučuk, neoprén, kompresorové mazivá, plastové a kovové triesky a otrepy, organické látky a materiály, prach rôzneho charakteru, dokonca aj mastnotu na obruči. Azda najnebezpečnejšími palivami sú mazivá. Existuje všeobecná mylná predstava, že silikón (možno kvôli exotickému názvu) je bezpečný pri použití s kyslíkom. V skutočnosti nie je. Existujú špeciálne lubrikanty kompatibilné s kyslíkom ako Christo-lube, Krytox, Halocarbon. Práve tieto samomazivá by sa mali používať v prostredí obohatenom o kyslík.
5. Zapaľovanie.
Niektoré zdroje vznietenia sú zrejmé, avšak väčšina z nich je mimo plynového systému a tu sa neuvažuje. Dva hlavné zdroje vznietenia v systéme sú trenie a stlačenie plynu pri jeho prechode systémom. Pojem "trenie" sa tu používa vo všeobecnom zmysle: v zmysle prítomnosti akýchkoľvek častíc v prúde plynu alebo v zmysle pohybu samotného prúdu plynu a jeho kolízie s rohmi plynovodov alebo inými prekážkami . Ďalší jav – ten istý, ktorý spôsobuje zahrievanie valca – môže tiež spôsobiť požiar (ak sa uvoľní dostatočné množstvo tepla). Ide o rovnaký efekt, pri ktorom sa zapáli palivo v naftovom motore bez zapaľovacej sviečky. Tento efekt sa nazýva „adiabatické zahrievanie (dieselový proces)“.
Náhle otváranie a zatváranie ventilu fľaše počas stláčania plynu môže spôsobiť zvýšenie teploty až do bodu vznietenia a ak sú v prúde plynu nečistoty, aj samotné vznietenie. Preto kompresory nepoužívajú rýchle prepínacie ventily ("guľové ventily").
6. Použitie kyslíkových systémov.
Dôležitým bodom v tejto kapitole je, že riziko pri manipulácii s kyslíkom možno minimalizovať dodržiavaním určitých pravidiel pri navrhovaní systému a manipulácii s ním. Predovšetkým je dôležité vyhnúť sa ostrým rohom a rýchlym prepínacím ventilom a použiť vhodné materiály. Kovy používané na výrobu vzduchových systémov sú vhodné aj na výrobu kyslíkových systémov. Čo sa týka "mäkkých častí", ako sú tesnenia, pružné spoje, membrány, musia byť nahradené tými, ktoré sú kompatibilné s kyslíkom. V niektorých prípadoch je hlavným kritériom menšia horľavosť kyslíka, ale vo väčšine prípadov zvýšená odolnosť voči kyslíku pod vysokým tlakom. K dispozícii sú špeciálne súpravy na premenu leteckých zariadení na zariadenia na použitie nitroxu.
Predovšetkým je potrebné vykonávať správne čistenie zariadenia a udržiavať zariadenie v čistote, používať vhodné mazivá, manipulovať s plynmi tak, aby nedošlo k vznieteniu, otvárať ventily pomaly a plynulo.
7. Čistiace zariadenie na použitie s kyslíkom. Niektoré úvahy týkajúce sa čistenia zariadenia.
Pojem „čistenie kyslíkom“ spôsobuje v radoch rekreačných potápačov určitý zmätok. Dôvodom je, že nie je úplne jasné, či je potrebné čistiť zariadenia na použitie so zmesami obsahujúcimi 21 % až 40 % kyslíka. Tento problém siaha hlbšie: neexistujú žiadne vyvinuté a štandardizované priemyselné postupy na manipuláciu so zmesami obsahujúcimi určité stredné množstvo kyslíka v rozsahu od 21 % (vzduch) do 100 % (čistý kyslík). Normy existujú len pre manipuláciu s čistým kyslíkom; teda každá zmes obsahujúca viac ako 21 % kyslíka je z hľadiska existujúcich noriem ekvivalentná čistému kyslíku. Preto, aby sa všetky operácie vykonávali v súlade s priemyselnými normami, je potrebné zaobchádzať s akoukoľvek obohatenou zmesou ako s čistým kyslíkom.
Asociácia pre stlačený plyn (CGA), Národná asociácia požiarnej ochrany (NFPA), NASA a množstvo ďalších organizácií odporúčajú, aby sa s plynmi medzi koncentráciami zaobchádzalo ako s čistým kyslíkom. To neznamená, že v tomto rozsahu koncentrácií vykonali nejaké štúdie. To len dokazuje, že neexistujú žiadne priemyselne vyvinuté a akceptované normy a tieto organizácie uprednostňujú konzervatívny postoj. Na druhej strane americké námorníctvo vyvinulo postupy, ktoré uvádzajú, že zmesi až do 40 % kyslíka môžu byť na manipulačné účely spracované ako vzduch. Neboli publikované žiadne výsledky testov, ktoré by naznačovali, že tento záver je pravdivý, avšak tento prístup sa praktizoval už mnoho rokov a neboli hlásené žiadne incidenty súvisiace s týmto problémom. NOAA prijala tento koncentračný limit pri prevádzke s obohatenými zmesami; NAUI vo všeobecnosti tiež, avšak s určitými obmedzeniami.
Vyčistite stlačený vzduch.
Ďalší zmätok vzniká v súvislosti s pojmom „čistý vzduch“. Rôzne „stupne“ čistoty dýchacích plynov používané rôznymi združeniami a organizáciami (CGA, US Navy) sú mätúce, pokiaľ ide o čistotu obohateného plynu. Normy povoľujú určité množstvo olejových pár (uhľovodíkov) v stlačenom vzduchu (zvyčajne 5 mg/m3). Toto množstvo je bezpečné z hľadiska dýchania, ale môže byť nebezpečné z hľadiska požiaru pri práci so stlačeným kyslíkom.
Neexistujú teda žiadne všeobecne akceptované a dohodnuté stupne čistoty vzduchu, ktoré by určovali jeho vhodnosť na zmiešanie s čistým kyslíkom. Zákonodarcovia priemyselných noriem sa zhodli, že hladina uhľovodíkov je rádovo 0,1 mg / cu. m možno považovať za prijateľné pre vzduch, ktorý „musí byť ďalej zmiešaný s kyslíkom“. V posledných rokoch boli dostupné filtračné systémy (na obrázku) na výrobu stlačeného vzduchu, ktorý spĺňa tieto požiadavky. Kompresory, ktoré zabraňujú kontaktu vzduchu s mazivom, samozrejme odvádzajú lepšiu prácu, ale sú podstatne drahšie.. Formalizovaný prístup k čisteniu kyslíkom.
Slovné spojenie „čistenie kyslíkom“ znie odstrašujúco aj z toho dôvodu, že jeho priemyselná implementácia si vyžaduje dodržiavanie dosť prísnych postupov. Tieto pravidelne vykonávané postupy zverejňuje CGA a ďalšie organizácie. Sú navrhnuté tak, aby zachovali bezpečnosť pri práci so stlačeným kyslíkom.
NAUI uvádza, že akékoľvek zariadenie určené na použitie s čistým kyslíkom alebo zmesami obsahujúcimi viac ako 40 % kyslíka pri tlakoch vyšších ako 200 psi (približne 13 atm) musí byť kompatibilné s kyslíkom a musí byť čistené na použitie s kyslíkom. Je potrebné vyčistiť valec, prvý stupeň regulátora a všetky hadice. Niektoré položky vybavenia je možné prerobiť na prácu s týmito zmesami pomocou komponentov zo špeciálnych súprav.
8. Neformalizovaný prístup k čisteniu kyslíkom: „pravidlo 40 %“
Napriek absencii formálneho testovania sa takzvané „pravidlo 40 %“ v potápačskom priemysle celkom úspešne uplatňuje a jeho uplatňovanie neodhalilo žiadne problémy. V potápačských zmiešavacích systémoch došlo k početným požiarom, ktoré však spôsobila vyššia koncentrácia kyslíka.
NAUI akceptuje toto pravidlo, ale vyžaduje, aby zariadenie bolo čistené kyslíkom a aby sa používali lubrikanty kompatibilné s kyslíkom. Tento prístup je menej prísny ako formálny, avšak pri správnom vykonaní je veľmi efektívny. Čistenie musia vykonávať kvalifikovaní technici.
Zariadenie musí byť očistené od všetkých viditeľných nečistôt a mastnoty, následne kefované alebo ultrazvukovo očistené silným čističom v horúcej vode. Dobré tekuté čistiace prostriedky na domáce použitie, ako je Joy. Čistota by nemala byť horšia, ako sa očakáva od tanierov a strieborných príborov. Po vysušení musia byť mäkké komponenty nahradené komponentmi kompatibilnými s kyslíkom, potom sa zariadenie namaže lubrikantom kompatibilným s kyslíkom.
Po vyčistení sa zariadenie smie používať iba na bohaté zmesi a nesmie sa používať so stlačeným vzduchom, inak sa bude musieť znova vyčistiť.
9. Príprava obohatených zmesí.
Tradičná schéma budovania systému miešania plynov je založená na pridávaní kyslíka do vzduchu tak či onak. Nedávno boli vyvinuté a sprístupnené dve nové metódy, ktoré obohacujú vzduch iným spôsobom – odstránením dusíka. V tomto odseku budú uvažované 3 metódy s prídavkom kyslíka: miešanie podľa hmotnosti, miešanie parciálnych tlakov, miešanie s konštantným prietokom; a 2 metódy odstraňovania dusíka: absorpcia s periodickým čistením absorbentu, membránová separácia (Ballantyne a Delp, 1996).
Typ použitého systému miešania plynu je dôležitý pre koncového užívateľa v tom, že určuje postupy plnenia valcov a rozsah možných koncentrácií kyslíka vo výslednej zmesi.
Miešanie plynov podľa hmotnosti.
Najjednoduchším a najspoľahlivejším spôsobom získania zmesí s presným zložením je nákup hotových zmesí. Výrobcovia priemyselných plynov zvyčajne miešajú čistý kyslík a čistý dusík namiesto čistého kyslíka a vzduchu.
Plyny sa miešajú podľa hmotnosti. To umožňuje ignorovať mnohé anomálie v správaní plynov spôsobené ich odlišnosťou od ideálnych a poskytuje veľmi presné zloženie plynov zmesí. Miešanie sa môže vykonávať vo fľašiach, plechovkách fliaš alebo nádržiach. Je potrebné mať presné váhy, ktoré sú veľmi drahé, keďže musia byť schopné merať malé zmeny s veľkou hmotnosťou. Tento spôsob miešania plynov je najpresnejší a výsledné zmesi sa starostlivo analyzujú na zhodu so skutočným deklarovaným zložením. Pri formulovaní takýchto zmesí je priemyselný podnik nútený používať čistý kyslík, ale predajca zmesí sa tomu môže vyhnúť. Tento spôsob je pomerne nákladný a jeho cenu zvyšuje skutočnosť, že nádoby na skladovanie zmesí patria dodávateľovi zmesí, a preto si ich prenajíma predajca zmesí.
Miešacie parciálne tlaky.
Ako už názov metódy hovorí, je založená na pomere parciálnych tlakov. Technik naplní fľašu vopred stanoveným množstvom kyslíka (ktorý sa meria tlakom), potom ju znovu naplní ultračistým vzduchom na požadovaný konečný tlak. Kyslík sa čerpá ako prvý, keď je fľaša ešte prázdna, čo znižuje riziko požiaru postupu, pretože nie je potrebné manipulovať s kyslíkom pri plnom tlaku naplnenej fľaše. Keďže sa používa čistý kyslík, celý systém vrátane plnenej fľaše musí byť kompatibilný s kyslíkom a musí byť čistený. Keďže tlak je závislý od teploty a balónik sa pri plnení zahrieva, musíte buď nechať balónik vychladnúť, alebo pri meraní tlaku brať do úvahy teplotný efekt. Keďže konečná úprava zloženia sa často vykonáva po konečnom ochladení valca, celý proces prípravy zmesi trvá pomerne dlho. Tento proces možno použiť aj na plnenie nádoby zmesou známeho zloženia na zmes rovnakého alebo odlišného definovaného zloženia.
Na miešanie touto metódou nie je potrebný kompresor, ak je vzduch dodávaný s dostatočným tlakom na naplnenie potápačských nádrží bez dodatočného stláčania. Aby sa maximalizovalo využitie banky plniacich fliaš, používa sa takzvaná „kaskádová technológia“, ktorá spočíva v tom, že najskôr sa použije plniaci valec s najnižším tlakom, potom sa použije valec s najvyšším tlakom atď. . Niekedy sa samotná metóda nazýva "metóda kaskádového miešania".
Pri tejto metóde sa často používajú aj kompresory. Nesmú používať olejové mazanie alebo musia poskytovať ultravysoko čistý vzduch vhodný na zmiešanie s kyslíkom. Ďalším spôsobom, ako pumpovať vzduch do valca, je použitie pneumatického čerpadla, ktoré stláča vzduch v súprave valcov rôznych priemerov, ktorých piesty sú spojené s jedným vačkovým hriadeľom. Oheň najobľúbenejších modelov - Haskel.
Čiastočné tlakové miešanie je veľmi obľúbené medzi potápačskými centrami, ktoré pripravujú mnoho rôznych zmesí v malých objemoch na rôzne rekreačné a technické účely potápania, vrátane zmesí s obsahom kyslíka nad 40%. V tomto prípade značnú časť nákladov na systém tvorí vysoko presný tlakomer. V tomto prípade je použitie pneumatického čerpadla veľmi efektívne. Táto metóda sa používa na vzdialených potápačských lokalitách. Pretože kyslík sa pridáva pri nízkom tlaku, niektorí technici kyslíkové fľaše nečistia. Tejto praxi sa treba vyhnúť: fľaša by sa mala vždy čistiť na použitie s kyslíkom.
10. Miešanie s konštantným prietokom.
Táto metóda (tiež nazývaná metóda zaťaženia okolitým vzduchom) bola priekopníkom NOAA (1979, 1991) a je užívateľsky najpriateľskejšou metódou (obr. 9-7). Pri tomto spôsobe sa kyslík pri nízkom tlaku pridáva do vstupného prúdu vzduchu vstupujúceho do kompresora s vysokým stupňom odstraňovania olejových pár. Výstupný prúd sa nepretržite analyzuje na zloženie a výsledok tejto analýzy sa použije na príslušnú úpravu prímesí kyslíka do vstupného prúdu. Výstupný prúd môže pri nastavovaní zmesi obchádzať rad plniacich valcov. Akonáhle bola zmes načerpaná do plniacich valcov, môže byť potom prenesená do potápačských valcov obtokom alebo pomocou vzduchového čerpadla. V závode s konštantným prietokom možno ako zdroj kyslíka použiť aj absorpčný subsystém s periodickým čistením absorbentu PSA.
Existuje ďalšia trieda inštalácií s konštantným prietokom, ktoré dodávajú vzduch komerčnému potápačovi cez hadicu na prívod vzduchu. Takéto zariadenia majú prostriedky na monitorovanie stálosti zloženia zmesi - rôzne prietokomery a regulátory. Ich výstupný tlak je zvyčajne v oblasti menej ako 200 psi (13 atm).
11. Absorpcia s pravidelným čistením absorbentu (PSA).
Táto metóda je založená na použití materiálu nazývaného "molekulárne sito" - syntetického porézneho materiálu podobného ílu, ktorého póry poskytujú veľmi veľkú plochu. Tento povrch adsorbuje plyny ("adsorb" znamená "absorbovať na povrchu"). Dusík sa adsorbuje rýchlejšie ako kyslík, takže vzduch prechádzajúci adsorbentom je bohatší na kyslík (presnejšie chudobnejší na dusík). Použité sú dve adsorpčné dosky, medzi ktorými sa prepína prúdenie vzduchu. Keď je tok nasmerovaný na jednu platňu, adsorbuje dusík, druhá platňa je v tomto čase očistená od predtým adsorbovaného dusíka. Potom taniere vymenia úlohy.
Zmenou tlaku a frekvencie čistenia platní je možné získať rôzne hodnoty obsahu kyslíka vo výstupnej zmesi. Maximálny dosiahnuteľný obsah kyslíka je 95 %, zvyšok tvorí argón. Argón sa vo vzťahu k tomuto typu adsorbentu správa takmer ako kyslík (t.j. nie je adsorbovaný), preto bude vo výstupnej zmesi obsiahnutý takmer v rovnakom pomere ku kyslíku ako vo vstupnom vzduchu. Tento argón nemá na potápača žiadny vplyv.
Rastliny tohto typu nevyžadujú kyslík pod vysokým tlakom, ale sú zložité a dosť drahé z hľadiska nákupu a údržby; odpadová voda sa musí čerpať do tlakových fliaš pomocou vyčisteného kompresora kompatibilného s kyslíkom alebo pneumatického čerpadla (na obrázku).
12. Oddelenie membrány.
Táto metóda je založená na použití membrány, ktorá pri prechode čistého vzduchu lepšie prepúšťa molekuly kyslíka ako dusík. Výstupná zmes je teda obohatená kyslíkom a koncentrácia kyslíka je určená vstupným prúdom. Maximálna dosiahnuteľná hodnota obsahu kyslíka v komerčne dostupných systémoch je asi 40 %. Rovnaká technológia sa, mimochodom, používa na extrakciu hélia a v niektorých ďalších procesoch.
Podobne ako pri jednotkách PSA nie je potrebné používať vysokotlakový kyslík. Odpadová voda sa musí čerpať do tlakových fliaš pomocou vyčisteného kompresora alebo vzduchového čerpadla kompatibilného s kyslíkom. Membránové systémy sú celkom spoľahlivé a nevyžadujú veľkú údržbu za predpokladu, že čistota vstupného prúdu je dostatočná.
plynov archív
Plynná zmes vodíka a kyslíka, ak ich hmotnostné zlomky 1 a 2 sú rovnaké ... parametre charakterizujúce jednotlivé vlastnostiplynu, a preto je... T=400 K. 8 KAPITOLA 1 FYZIKÁLNE ZÁKLADY MECHANIKY KAPITOLA 1 FYZIKÁLNE ZÁKLADY MECHANIKY...
Úvod 3 Kapitola 1 Vedci a ich objavy
Abstrakt dizertačnej práce... kapitoly. Úvod kapitola 1: Vedci a ich objavov. - Priestleyho zážitok kapitola 2. História fotosyntézy. kapitola 3: Význam fotosyntézy v prírode. kapitola... oxid uhličitý plynu do kyslíka. Karbonický plynu potrebný... elektrochemický potenciál. Vlastnosti tylakoidná membrána...
Predstavme si tri horizontálne vrstvy A, B a C nášho plynového stĺpca s vrstvou B umiestnenou nad A a A nad C. Vždy je možné získať akékoľvek množstvo zmesi kompozície A zmiešaním určitého objemu z vrstvy C s objem z vrstvy B. Naopak, akékoľvek množstvo zmesi kompozície A možno rozložiť na dve zmesi kompozície B a C.
Toto zmiešavanie a oddeľovanie dvoch plynov sa môže uskutočniť aj reverzibilným spôsobom, a to zosilnením horizontálnych potrubí v A, B a C. Koniec každej takejto rúrky, ktorá vychádza zo stĺpca plynu smerom von, je uzavretý piestom. Teraz zatlačíme piesty dovnútra vo vrstvách B a C, pričom ich budeme pohybovať povedzme zľava doprava a v bode A naopak vytlačíme piest von, t.j. sprava doľava. Potom v B a C opustí kolónu určité množstvo plynu a naopak, určitý objem zmesi vstúpi do A. Budeme predpokladať, že každé takéto potrubie obsahuje určitú hmotu zmesi rovnakého zloženia ako horizontálna vrstva plynového stĺpca, s ktorým toto potrubie komunikuje.
Hodnoty sa potom určia z rovníc
Z toho teda vyplýva
Teraz rozdelíme zmes nejakým vratným spôsobom a vypočítame vynaloženú prácu.
Do A zavedieme jednotkový objem zmesi a z B a odvodíme objemy
Celková práca vykonaná v tomto procese je
nahradením hodnôt tu vidíme, že táto práca sa rovná nule.
Je tu istá jemnosť: zmesi B a zmesi A, na ktoré sa rozpadla, sú zdvihnuté do rôznych výšok a tým získavajú rôzne potenciálne energie. Ale keďže práca je nulová a teplota systému je konštantná, potom je to možné iba vtedy, ak systém vydal alebo prijal určité množstvo tepla. Keď poznáme zmenu potenciálnej energie, zistíme množstvo tepla odovzdaného systému, a teda aj zmenu entropie.
Prírastok potenciálnej energie bude
ale rovná sa množstvu tepla odovzdaného systému, takže prírastok entropie sa bude rovnať
O takú hodnotu je súčet entropií objemu zmesi B a objemu zmesi C väčší ako entropia jednotkového objemu zmesi A. Odtiaľ sa dajú zistiť objemy zmesí B a C, ktorého súčet entropií sa rovná entropii jednotkového objemu zmesi A; Aby sme to dosiahli, privedieme objemy zmesí B a C reverzibilným izotermickým spôsobom k objemom a prirovnáme súčet prírastkov entropií oboch zmesí v tomto procese k výrazu (75), ktorý sa berie s opačným znamienkom.
Prírastok entropie pre zmes B bude
Dosadíme do rovnice (76) výraz pre tlaky v zmysle hustôt
1. Miešanie plynu pri V=konšt. Ak celkový objem zaberaný plynmi pred a po zmiešaní zostane nezmenený a plyny pred zmiešaním zaberajú objemy V 1, V 2, ... .. V n m 3 pri tlakoch p 1, p 2, p n a teplotách T 1, T 2 , Т n , a pomer tepelných kapacít týchto plynov s р /с v sa rovná k 1 , k 2,…. k n , potom sú parametre zmesi určené vzorcami:
teplota
tlak
(5.15)
Pre plyny, ktorých molárne tepelné kapacity sú rovnaké, a preto sú hodnoty k rovnaké, majú vzorce (62) a (63) tvar:
2. Miešanie prúdov plynu. Ak sa hmotnostné prietoky zmiešavacích prietokov rovnajú M 1, M 2, ... M n, kg / h, objemové prietoky sú V 1, V 2, ... .. V n m 3 / h, plyn tlaky - p 1, p 2, p n a teplota - T 1 , T 2 ,…T n a pomery tepelných kapacít jednotlivých plynov sú k 1 , k 2 ,…. k n , potom je teplota zmesi určená vzorcom:
(5.18)
Objemový prietok zmesi za jednotku času pri teplote T a tlaku p:
(5.19)
Pre plyny, ktorých hodnoty k sú rovnaké, je teplota zmesi určená vzorcom (64). Ak má prúdenie plynu okrem rovnakých hodnôt k aj tlaky, potom majú vzorce (66) a (67) tvar:
(5.21)
Úlohy
5.1. Nájdite zmenu vnútornej energie 1 kg vzduchu pri jeho prechode z počiatočného stavu t 1 \u003d 300 0 C do konečného stavu pri t 2 \u003d 50 0 C. Závislosť tepelnej kapacity od teploty berte ako lineárnu. Odpoveď uveďte v kJ.
Zmena vnútornej energie sa zistí podľa vzorca (5.9):
Du \u003d C vm (t 2 - t 1).
Použitie tabuľky. 4.3 dostaneme na vzduch
(С vm) 0 t = 0,7084 + 0,00009349 t kJ/(kg K);
(С vm) 50 300 =0,7084+0,00009349(50+300)=0,7411 kJ/(kg K).
teda
Du=0,7411(50-300)= -185,3 kJ/kg
Odpoveď: DU = - 185,3 kJ / kg
5.2. Nájdite zmenu vnútornej energie 2 m 3 vzduchu, ak jeho teplota klesne z t 1 \u003d 250 0 C na t 2 \u003d 70 0 C. Prijmite závislosť tepelnej kapacity od teploty ako lineárnu. Počiatočný tlak vzduchu Р 1 =0,6 MPa.
Odpoveď: DU=-1063 kJ.
5.3. Do plynu uzavretého vo valci s pohyblivým piestom sa zvonku privádza 100 kJ tepla. Množstvo vykonanej práce je v tomto prípade 115 kJ. Určte zmenu vnútornej energie plynu, ak je jeho množstvo 0,8 kg.
Odpoveď: DU = - 18,2 kJ.
5.4. 2 m 3 vzduchu o tlaku 0,5 MPa a teplote 50 0 C sa zmieša s 10 m 3 vzduchu o tlaku 0,2 MPa a teplote 100 0 C. Určte tlak a teplotu zmesi.
Odpoveď: t cm \u003d 82 0 C; P cm \u003d 0,25 MPa.
5.5. V dymovode kotolne sa zmiešavajú spaliny troch kotlov, ktoré majú atmosférický tlak. Pre jednoduchosť sa predpokladá, že tieto plyny majú rovnaké zloženie, a to: CO 2 =11,8 %; O2 \u003d 6,8 %; N2 \u003d 75,6 %; H20 = 5,8 %. Hodinová spotreba plynu je V 1 =7100 m 3 /h; V 2 \u003d 2600 m 3 / h; V 3 \u003d 11200 m 3 / h, respektíve teploty plynov, t 1 \u003d 170 0 C, t 2 \u003d 220 0 C, t 3 \u003d 120 0 C. Určte teplotu plynov po zmiešaní a ich objemový prietok komínom pri tejto teplote.
Odpoveď: t=147 0 С; V=20900 m3/h.
5.6. Spaliny z troch parných kotlov s tlakom 0,1 MPa sa zmiešavajú v zbernom plynovom potrubí a odvádzajú do atmosféry cez komín. Objemové zloženie spalín z jednotlivých kotlov je nasledovné: od prvého
C02 = 10,4 %; Približne 2 \u003d 7,2 %; N2 = 77,0 %; H20 = 5,4 %;
z druhej
C02 = 11,8 %; O2 \u003d 6,9 %; N2 \u003d 75,6 %; H20 = 5,8 %;
z tretieho
C02 = 12,0 %; O2 \u003d 4,1 %; N2 \u003d 77,8 %; H20 = 6,1 %.
Hodinová spotreba plynov je
Mi = 12 000 kg/h; M2 = 6500 kg/h; M3 = 8400 kg/h; a teploty plynu, v tomto poradí, t 1 \u003d 130 0 С; t 2 \u003d 180 0 С; t 3 \u003d 200 0 C.
Určte teplotu spalín po zmiešaní v zbernom potrubí. Predpokladajme, že molárne tepelné kapacity týchto plynov sú rovnaké.
Odpoveď: t 2 \u003d 164 0 C.
5.7. V plynovode sa zmiešavajú tri prúdy plynu s rovnakým tlakom 0,2 MPa. Prvým prúdom je dusík s objemovým prietokom V 1 = 8200 m 3 / h pri teplote 200 0 C, druhým prúdom je oxid uhličitý s prietokom 7 600 m 3 / h pri teplote 500 0 C a tretí prúd je vzduch s prietokom 6400 m 3 / h pri teplote 800 0 C. Zistite teplotu plynov po zmiešaní a ich objemový prietok v spoločnom plynovode.
Odpoveď: t 1 \u003d 423 0 C; V=23000 m3/h.
5.8. Spaliny z dymovodu parného kotla v množstve 400 kg/h pri teplote 900 0 C je potrebné ochladiť na 500 0 C a odoslať do sušiarne. Plyny sa ochladzujú zmiešaním prúdu plynu s prúdom vzduchu pri teplote 20 0 C. Tlak v oboch prúdoch plynu je rovnaký. Určite hodinový prietok vzduchu, ak je známe, že R plyn \u003d R vzduch. Predpokladá sa, že tepelná kapacita produktov spaľovania sa rovná tepelnej kapacite vzduchu.
Odpoveď: M vzduch \u003d 366 kg / h.
