Дросселирование газов

Холодопроизводительность и затрата работы на сжатие газа при рекуперации холода не изменяются.

Используя дросселирование воздуха в сочетании с рекуперацией холода, К. Линде разработал рассматриваемые ниже циклы получения жидкого воздуха. Цикл с простым дросселированием.

Сжатый в компрессоре I и охлажденный до комнатной температуры воздух поступает в теплообменник II в точке 2. Пройдя теплообменник, воздух дросселируется до атмосферного давления и вновь направляется в теплообменник, двигаясь противотоком по отношению к поступающему сжатому воздуху.

Дросселированный воздух охлаждает сжатый воздух, вследствие чего температура последнего перед дросселированием все более снижается, пока не наступает частичное снижение воздуха в точке 4. После этого жидкий воздух выводится из системы и в теплообменник возвращается лишь несжиженная часть воздуха. На диаграмме T – S линия 1- 2 выражает изотермическое сжатие воздуха в компрессоре, линия 2 – 3 – охлаждение сжатого воздуха в теплообменнике (при постоянном давлении P 2 ), линия 3 – 4 – дросселирование при ( i = const ). Точка 4 изображает состояние воздуха после дросселирования. Она лежит в области влажного пара, причем доля сжиженного воздуха х равна отношению отрезка 4 – 5 к отрезку 0 – 5, а точки 0 и 5 изображают состояние жидкого и несжиженного воздуха. Линия 5 – 1 изображает нагревание несжиженной части воздуха (при постоянном давлении P 1 ). (Рис. 2) Из уравнения q 0 = x ( i 1 - i 0 )+ q n и q 0 = q дрос. = i 1 - i 2 холодопроизводительность цикла составляет: q 0 =x(i 1 -i 0 )+q п. = i 1 -i 2 Разность i 1 - i 2 возрастает с повышением давления сжатия P 2 , поэтому длинный цикл требует применения значительного давления (около 200 ат) и связан с большим расходом энергии. Цикл с двукратным дросселированием Расход энергии на сжатие воздуха можно уменьшить, если дросселирование сжатого воздуха производить до некоторого промежуточного давления (20 – 50 ат), направляя несжиженную часть в компрессор II , где она снова сжимается до высокого давления (200 ат). Полученный в сборнике промежуточного давления V жидкий воздух для удаления его из системы дросселируется до атмосферного давления и поступает в сборник давления VII ; при испаряется часть жидкого воздуха.

Испаренный воздух т несжиженная часть воздуха после первого дросселирования проходят через теплообменник III , где нагреваются и охлаждают воздух, сжатый до высокого давления.

Взамен жидкого и испаренного воздуха, удаляемых из системы, вводится такое же количество свежего воздуха, который сжимается во вспомогательном компрессоре I до промежуточного давления. На диаграмме T – S линия 2 – 3 изображает сжатие в компрессоре от промежуточного до высокого давления, линия 3 – 4 – охлаждение в теплообменнике, линия 4 – 5 – первое дросселирование, линия 7 – 2 – нагревание в теплообменнике несжиженной части воздуха, линия 6 – 8 – второе дросселирование и линия 9- 1 – нагревание в теплообменнике воздуха, испаренного при втором дросселировании. Пусть на 1 кг поступающего в теплообменник воздуха высокого давления подается М кг свежего воздуха (обычно М=0,2 – 0,5); тогда через первый дроссельный вентиль проходит 1 кг , а через второй М кг воздуха. В соответствии с этим холодопроизводительность цикла составляет: q 0 = x(i 1 -i 0 )+ q п =( i 2 -i 3 )+M(i 1 -i 2 ) Первый член этого выражения ( i 2 - i 3 ) представляет собой холодопроизводительность, обусловленную дросселированием 1 кг воздуха от высокого давления до среднего, а член M ( i 1 - i 2 ) – холодопроизводительность, обусловленную дросселированием М кг воздуха от среднего давления до 1 ат. (Рис. 3) Цикл с предварительным охлаждением Дальнейшим усовершенствованием холодильных циклов с дросселированием является предварительное охлаждение сжатого воздуха холодом, полученным в аммиачной холодильной установке.

Сжатый воздух (рис. 4) сначала охлаждается обратным потоком несжиженной части воздуха в предварительном теплообменнике II , а затем поступает в аммиачный холодильник III , где охлаждается за счет испарения аммиака до температуры около -40° С. Далее воздух охлаждается в главном теплообменнике IV , после чего дросселируется.

Несжиженная часть воздуха проходит через главный и предварительный теплообменник.

Назначение предварительного теплообменника заключается в полном использовании холода несжиженной части воздуха, которая в главном теплообменнике может быть нагрета лишь до температуры охлаждения сжатого воздуха в аммиачном холодильнике. На диаграмме T – S 2 соответствует охлаждению воздуха в предварительном теплообменнике, а точка 2 – его охлаждению в аммиачном холодильнике. Точка 1 , характеризующая состояние несжиженной части воздуха на выходе из главного теплообменника, отвечает той же температуре, что и точка 2 . Холодопроизводительность цикла составляет: q 0 = x ( i 1 - i 0 ) +q п . = i 1 – i 2 т. е. равна разности энтальпий несжиженного воздуха, уходящего из главного теплообменника, и сжатого воздуха, поступающего в этот теплообменник.

Количество тепла, отнимаемого в аммиачном холодильнике, составляет: q ам .=(i 1 -i 2 ) – (i 1 - i 2 )+x(i 1 -i 1 ) т. е. равно разности холодопроизводительностей данного ( i 1 - i 2 ) , необходимое для охлаждения сжимаемой части воздуха от температуры засасываемого воздуха до температуры охлаждения в аммиачном холодильнике при 1 ат. (Рис. 4) Цикл с двукратным дросселированием и предварительным охлаждением. Этот цикл является комбинацией циклов с двукратным дросселированием и предварительным охлаждением.

Холодопроизводительность цикла: q 0 =x(i 1 -i 0 )+q п =(i 2 -i 3 )+M(i 1 -i 2 ) Количество тепла, отводимого в аммиачном холодильнике, составляет: q ам = [(i 2 -i 3 )+ M(i 1 -i 2 ) ]-[ ( i 2 - i 3 ) +M( i 2- i 1) ] + x(i 1 -i 1 ) т. е. равно разности холодопроизводительностей данного цикла и цикла с двукратным дросселированием без предварительного охлаждения плюс тепло x ( i 1 - i 1 ), необходимое для охлаждения сжижаемой части воздуха от температуры засасываемого воздуха до температуры охлаждения в аммиачном холодильнике при 1 ат. Здесь величины i 1 и i 3 соответствуют точкам 2 и 3 на рис. 3, а i 1, i 2 и i 3 – энтальпии воздуха при температуре после аммиачного холодильника и соответственно низком, среднем и высоком давлениях.

Холодильные циклы с расширением сжатого газа в детандере Цикл высокого давления (цикл Гейландта) Сжатый до давления ~200 ат воздух (рис. 5) разделяется на две части, из которых одна направляется в детандер II , а другая в теплообменник III и далее в дополнительный теплообменник IV . Охлажденный в теплообменниках воздух дросселируется и часть его сжижается.

Несжиженная часть проходит дополнительный теплообменник, после чего смешивается с воздухом, расширившимся и охладившимся в детандере. Эта смесь охлаждает сжатый воздух в теплообменнике III . Обозначенная через M долю воздуха, проходящего через детандер (величину М принимают 0,5 – 0,6), согласно уравнению q 0 =( i 1 - i 2 )+( i 2 - i 3 )= q дрос .+ l дет . имеем: q 0 =x(i 1 - i 0 )+q п .=(i 1 - i 2 )+M(i 2 - i 8 ) Первый член ( i 1 - i 2 ) выражает холодопроизводительность, получаемую в результате дросселирования, а член M ( i 2 - i 8 ) – холодопроизводительность, соответствующую работе отданной, в детандере.

Коэффициент полезного действия детандера в условиях данного цикла составляет ~0,7. (Рис. 5) Цикл среднего давления . Сжатый до давления 25 – 40 ат воздух поступает в предварительный теплообменник II , где охлаждается до температуры около -80 С (точка 3). Затем часть воздуха поступает в детандер III , где, расширяясь до 1 ат, охлаждается до температуры порядка -140 С. Другая часть воздуха охлаждается в главном теплообменнике IV и при этом конденсируется.

Жидкий воздух для удаления его из системы дросселируется до атмосферного давления и поступает в сборник VI . Испаренная при этом часть воздуха вместе с воздухом, выходящим из детандера, проходит через главный и предварительный теплообменник.

Обозначая через M долю воздуха, походящего через детандер ( М принимают ~0,8), находим холодопроизводительность цикла: q 0 =x(i 1 - i 0 )+q п .=(i 1 - i 2 )+M(i 3 - i 8 ) Недостатком данного цикла является работа детандера при низких температурах, что приводит к снижению его к. п. д. до 0,6 – 0,65. (Рис. 6) Цикл низкого давления.

Недостатком цикла среднего давления, заключающийся в низком к. п. д. детандера при работе его в условиях низких температур, может быть устранен применением турбодетандера. П. Л. Капица разработал конструкцию турбодетандера, обладающего высоким к. п. д. при низких температурах, что позволило снизить давление сжатого воздуха и осуществить цикл низкого давления ( Р абс .=5,5 – 6 ат ). Это в свою очередь сделало возможным применение для сжатого воздуха турбокомпрессоров и использования регенераторов в качестве теплообменников.

Принципиальная схема цикла низкого давления такая же, как и схема цикла среднего давления.