Цикл с простым дросселированием

Цикл с простым дросселированием был первым криогенным циклом нашедшим применение в технике. Его используют и в настоящее время.

Впервые цикл с дросселированием реализовали в 1895 г. К. Лин-де в Германии и Хемпсон в Англии.

Использование дросселирования для охлаждения возможно в том случае, если исходный температурный уровень процесса существенно ниже температуры инверсии рабочего вещества.

Применение процесса непосредственного дросселирования к сжатому газу, находящемуся при температуре окружающей среды, позволяет очень незначительно снизить его температуру. Так, температура воздуха, расширяющегося в дроссельном вентиле от р₂ = 20 мПа до р₁ = 0,1 мПа при Т₀ = 300 К, сжижается на величину ∆Т ≈ 35 К. Для получения значительно более низких температур и для сжижения газов в дроссельном цикле процесс дросселирования необходимо дополнить процессом регенеративного теплообменна.

В результате температура рабочего вещества снижается перед тем, как реализуется эффект охлаждения на более низком температурном уроне.

Идеальный цикл с простым дросселированием. Рассмотрим идеальный цикл с простым дросселированием с использованием регенеративного теплообмена (рис. 22).

По замкнутому контуру циркулирует 1 кг рабочего вещества. Сначала все элементы криогенной системы имеют одинаковые температуры, равные температуре окружающей среды (Т₁ =Т₀).

В компрессоре КМ газ сжимается от р₁ до р₂. Этот процесс предположительно идет изотермически. Т₁=Т₂, теплота сжатия отводится в окружающую среду в холодильнике Х. Сжатый газ в состоянии, соответствующем точке 2, направляется через теплообменник Т в дроссельный вентиль ДВ, где расширяется до р₁, в результате температура снижается до Т₄. Теперь этот газ можно нагреть до Т₁, используя его в качестве охлаждающей среды для отвода теплоты от какого-либо объекта. Если этот газ направить через теплообменник в качестве обратного потока, то он в результате теплообмена охладит вторую порцию газа перед тем, как она пойдет к дроссельному вентилю.

Рис. 22. Теоретический цикл с дросселированием: а) схема; б) диаграмма Т-s

Таким образом, дросселирование начнется на более низком температурном уровне Т₃^’ и перепад температур в процессе дросселирования будет уже больше. Температура после дросселирования второй порции будет Т₄^”. Вторая порция газа в обратном потоке в теплообменнике может охладить третью порцию газа уже до температуры Т₃^”. Таким образом температуры последующих потоков будут понижаться до минимального значения Т_х; при этом рабочее вещество находится уже в области влажного насыщенного пара (ВНП ), Т_х однозначно определяется давлением р₁ и образуется жидкость состояния f. Только уменьшая р₁, можно снизить Т_х.

Получаемую жидкость в установившемся процессе состояния f можно испарять, отводя таким образом теплоту от какого-то объекта охлаждения (рефрижераторный режим). Получаемая при этом холодопроизводительность теоретического цикла составляет:

q_xt = i ₅ - i ₄. (71)

В Т-s диаграмме q_xt соответствует площадь а-4-5-в.

Определим q_xt из теплового баланса теплообменника T следующим образом:

q_xt=i ₅ - i ₃ = i ₁ - i ₂. (72)

Так как i ₃ = i ₄,

q_xt = i₅ - i₄ = i₁ - i₂ = ∆ i_T1, (73)

то есть холодопроизводительность в теоретическом цикле одинакова на любом температурном уровне.

Дроссельный вентиль не создает холодопроизводительности, только обеспечивает ее реализацию. Регенеративный теплообменник позволяет перенести дроссельный эффект на более низкий температурный уровень.

Действительный цикл с простым дросселированием. В действительном цикле с простым дросселированием (рис. 23) имеют место потери, вызванные следующими обстоятельствами.

Несовершенство процесса теплообмена в регенераторе: в результате газ в обратном потоке не сможет нагреться до первоначальной температуры Т₁, на выходе из регенератора его температура будет Т_1’. Эта разница температур (∆Т = Т₁ - Т_1’) называется недорекуперацией. Соответственно в прямом потоке температура будет не Т_3т, а Т₃.

Потери от неполноты рекуперации определяют следующим образом:

q_н = i₁ – i_1’= С_р ∆Т, (74)

q_н =i_3’-i_3T = i₁ – i_1’. (75)

Рис. 23. Действительный цикл с дросселированием: а) схема; б)диаграмма Т-s

Другой причиной уменьшения холодопроизводительности является приток теплоты от окружающей среды. Приток теплоты q_c приводит к тому, что прямой поток газа охладится не до Т_3’, а до более высокой температуры Т₃.

Из уравнения теплового баланса теплообменника определим следующее:

i₂ – i₃^’ – q_с = i₂ – i₃, (76)

т.е.

q_с = i₂ – i₃^’ = i₄ – i₄^’. (77)

Таким образом, полезная холодопроизводительность составит:

q_х = q_хt - q_н - q_с = q_хt - ∑q, (78)

где q_хt = ∆i_T; ∑q= q_н + q_с.

В T-s координатах полезная холодопроизводительность эквивалентна площади q_х→с-4-5-в. Полная холодопроизводительность площади q_хt→а-4_Т-5-в.

Если полученную в результате дросселирования жидкость выводить из цикла в виде готового продукта, то это будет ожижительный режим. Схема цикла будет та же, но в нее дополнительно включен вентиль В, через который выводится полученная жидкость в количестве x.

Поскольку часть жидкости x выводится из цикла, на сжатие в компрессор надо подавать новую порцию газа в том же количестве x в состоянии 1.

Составим уравнение энергетического баланса для ограниченной контуром зоны на рис. 23, а.

i₂+q_c=xi_f+(1-x)i_1’ (79)

Используя формулу (74), найдем коэффициент ожижения.

(80)

Характеристики цикла с простым дросселированием. В цикле с дросселированием затраты энергии определяются работой сжатия в компрессоре l_k в интервале давлений от р₁ до р₂. Удельные затраты работы составят:

для теоретического рефрижераторного:

; (81)

для реального рефрижераторного:

; (82)

для реального ожижительного:

. (83)

Холодильный коэффициент теоретического и реального рефрижераторного цикла - величина, обратная удельным затратам работы.

Термодинамический КПД определяют по формулам (61), (62).

Энергетическая эффективность цикла с простым дросселированием невелика. Даже в теоретическом случае термодинамический КПД h_t не превышает 20 %, а для реального цикла - h_t ≈ 5 %. Очень мала и для получаемой жидкости - x≈5,5%. Все указанное относится для воздуха и его компонентов.

Для рабочих веществ с более высокой температурой инверсии, энергетические коэффициенты более высокие. Так для метана в действительном цикле - h_t ≈20 %.

Для веществ с более низкой температурой инверсии: гелия, неона, водорода - этот цикл непригоден, т.к. температура инверсии ниже температуры, поступающего в цикл потока. Т_инв < Т₂, поэтому изотермический эффект дросселирования ∆i_T < 0, в дроссельном вентиле не будет иметь место эффект понижения температуры

Дата добавления: 2015-07-24