Циклы глубокого охлаждения

Все циклы криогенных установок могут быть разделены на три основные группы:

1. Рефрижераторные циклы, которые служат для охлаждения и термостатирования. В качестве примера рефрижераторных установок можно указать криогенные рефрижераторы для охлаждения и поддержания низкой температуры в исследовательских криостатах, высоковакуумных камерах и т.д.

2. Ожижительные циклы применяются для получения жидких азота, кислорода, водорода, метана, гелия. Следует указать, что понятие «цикл» применимо к замкнутым круговым процессам, когда система возвращается к начальному состоянию. Это в известной мере относится и к газоразделительным циклам.

3. Циклы газоразделительных установок. В процессе разделения газовой смеси необходимо охлаждение смеси до сухого насыщенного состояния и последующая конденсация смеси.

По принципу работы (по способу охлаждения) циклы глубокого охлаждения газов можно разделить на три категории:

1. Циклы с применением эффекта дросселирования. К этой категории относятся циклы с однократным дросселированием, с двумя давлениями воздуха, с циркуляцией воздуха среднего давления и варианты этих циклов с промежуточным аммиачным охлаждением.

2. Циклы с применением адиабатного расширения и отдачей внешней работы.

3. Комбинированные циклы с дросселированием и расширением газа в детандере.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные циклы сжижения воздуха.

На рис.1. показана схема цикла с однократным дроселлированием и изображение этого цикла в координатах Т-S. Воздух сжимается вкомпрессоре высокого давления, охлаждается в холодильнике компрессора (линия 1-2), затем поступает в теплообменник, где охлаждается обратными потокоми кислорода и азота (линия 2-3) и поступает в колонну двухкратной ректификации, кислород и азот поступают в теплообменник, охлаждая встречный поток воздуха. Выход кислрода и азота из теплообменника показан на диагармме Т-S точкой 1'. Цифрами 1-4 обозначены точки процесса, характеризующие состояние воздуха и продуктов разделения.

Рис.1. Цикл разделения воздуха с однократным дросселированием (цикл Линда) (а) и его изображение на диаграмме Т-S (б)

К - компрессор, Х- холодильник, П – теплообменник, В - дроссельный вентиль, О - отделитель жидкости.

Принципиальная схема установки цикла среднего давления с расширением части воздуха в детандере показа на рис.2.

Цифрами 1-6 обозначены точки процесса, характеризующие состояние воздуха и продуктов разделения – кислорода и азота. Воздух сжимается в компрессоре, охлаждается в холодильнике компрессора (линия 1-2), затем поступает в первый по ходу теплообменник, где охлаждается встречным потоком кислорода и азота до температуры Т₃ (линия 2-3). Кислород и азот выходят из теплообменника (точка 1'), а воздух (точка 3) делится на два потока. Один поток поступает в поршневой детандер, где расширяется с отдачей внешней работы до давления нижней колонны 0.6 МПа (линия 3-5'), а остальная часть воздуха с учетом к.п.д. детандера (линия 3-5) поступает во второй по ходу теплообменник, где охлаждается встречным потоком кислорода и азота (линия 3-4), после чего дросселируется до давления 0.6 МПа и поступает вместе с воздухом из детандера в нижнюю колонну. Получаемый в верхней колонне под давлением 0.13МПа кислород и азот направляются в теплообменник, где охлаждают встречный поток воздуха, и затем выводятся из установки (точка 1').

Академик Капица создал высокоэффективный активно-реактивный турбодетанд, работающий по принципу низкого давления. На основе этого принципа построены все крупнотоннажные установки для разделения воздуха. На рис. 1.3 показана схема цикла низкого давления и его изображение на диаграмме Т-S.

Рис.2. Цикл разделения воздуха среднего давления с расширением части воздуха в поршневом детандере (а) и его изображение на диаграмме Т-S (б)

Рис.3. Цикл низкого давления с турбодетандером (цикл Капицы) (а) и его изображение на диаграмме Т-S (б)

К - компрессор, П-теплообменник, ТД- турбодетандер, С-конденсатор, О - сборник

При работе по этому циклу воздух сжимается в компрессоре К до давления Р = 0.6-0.7МПа, затем поступает в теплообменник- регенератор П, где охлаждается несконденсировавшимся воздухом (линия 2-3). После теплообменника-регенератора воздух разделяется на два потока. Большая часть воздуха (94%) в количестве (1-М) кг направляется в турбодетандер ТД, в котором расширяется до давления Р = 0.15 МПа. Меньшая часть воздуха (М кг) поступает в межтрубное пространство конденсатора С, где охлаждается и конденсируется. Жидкий воздух из межтрубного пространства через дроссельный вентиль В дросселируется с 0.6 до 0.3 МПа и поступает в сборник О. Расширенный воздух из турбодетандера направляется в трубы конденсатора С, а оттуда в теплообменник- регенератор П.

Коэффициент сжижения воздуха

β = (i₁ – i₂) + (1 – М) h₀η₀ – (q₂ – q₁)/ i₁ – i₀ (1.2.2.1)

где h₀ – адиабатический теплоперепад; η₀ – адиабатический к.п.д. детандера; i_1, i₂ – энтпльпия поступающего в установку воздуха, воздуха после сжатия и охлаждения.

Применение в цикле воздуха низкого давления позволяет устанавливать регенераторы, благодаря чему значительно уменьшается недорекуперация и не требуется предварительная осушка воздуха и очистка его от СО₂.

Дата добавления: 2015-07-26