- •Введение
- •1. Третье начало термодинамики
- •2. Методы достижения низких температур
- •2.1. Процессы, сопровождающиеся понижением температуры в адиабатных условиях
- •2.2. Изменение основных термодинамических величин при сжатии реального газа
- •2.3. Дросселирование
- •2.5. Равновесное адиабатное расширение газа
- •Выхлоп или свободный выпуск газа из баллона. Процесс впуска
- •2.7. Процессы в адиабатной системе с переменной маcсой
- •2.8. Расширение газа в адиабатной вихревой трубе ранка—хилша
- •2.9. Процессы волнового расширения газа
- •2.10. Откачка паров кипящей жидкости
- •2.11. Процессы охлаждения с использованием рабочей среды в твердом состоянии
- •2.12. Процессы охлаждения, основанные на использовании свойств 4He и 3He
- •2.13. Различные процессы охлаждения
- •3. Циклы криогенных установок
- •3.1. Цикл с однократным дросселированием
- •1. Цикл без регенерации
- •2. Цикл с регенерацией
- •3. Анализ энергетических характеристик цикла линде
- •3.2. Потери холода в циклах криогенных установок
- •3.3. Цикл с однократным дросселированием и промежуточным охлаждением
- •3.4. Детандерные циклы
- •3.5. Детандерный цикл среднего давления
- •3.6. Детандерный цикл высокого давления
- •3.7. Детандерный цикл низкого давления
- •3.8. Газовые криогенные циклы
- •4. Теоретические основы разделения смесей
- •4.1. Термодинамические диаграммы смесей
- •4.2. Теоретические основы процесса ректификации
- •4.3. Методы расчета процесса ректификации
- •Литература
3.4. Детандерные циклы
Как было показано ранее, детандирование эффективнее, чем дросселирование (при детандировании достигается более низкая температура, производится больше холода и возвращается работа). Выражение «детандерные циклы» означает, что основное количество холода «производится» в детандере.
3.5. Детандерный цикл среднего давления
Исторически первым детандерным циклом явился цикл, предложенный Клодом. Схема установки, реализующей цикл Клода, и изображение цикла в диаграмме приведены на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Схема установки и детандерный цикл среднего давления
А 1 - предварительный теплообменник
А 2 - детандерный теплообменник
А 3 - ожижительный теплообменник
Составим уравнение энергетического баланса для выделенного контура.
(3.15)
где z – коэффициент ожижения. Приведенное выше соотношение показывает, какова доля жидкости (z < 1) может быть ожижена из массы газа, сжимаемого в компрессоре. Знаменатель – это количество тепла, которое нужно отвести от газа, при давлении и температуре среды, чтобы перевести его в жидкость.Числитель – количество тепла, которое может быть отведено в данном цикле.
Энергетические характеристики определяются следующими уравнениями
(3.16)
Из выражения для холодопроизводительности детандера, на первый взгляд, следует, что целесообразно направлять в детандер возможно большее количество газа ( в связи с тем, что холодопроизводительность детандера пропорциональна количеству газа, направляемого в детандер D ) при сравнительно высокой температуре Т3 ( так как адиабатический перепад энтальпий в детандере, а следовательно и его холодопроизводительность, растут с увеличением Т3 ).
Анализ работы схемы, однако, показывает, что выбор D и Т3 не может быть произвольным, т.к. следует принимать во внимание условие теплообмена. Действительно, если, например, зафиксировать долю газа, направляемого в детандер D, и увеличивать температуру газа перед детандером Т3, то могут возникнуть затруднения с передачей детандерного холода потоку газа высокого давления Р2.
Из рассмотрения работы детандерного теплообменника следует, что, если в точке 3 отбирается значительная доля детандерного потока D, то этим самым уменьшается доля прямого потока, идущего на дросселирование. Количество детандерного холода вместе с холодом обратного потока окажется столь большим, что часть его уже не сможет быть передана газу высокого давления. В итоге обратный поток уйдет из предварительного теплообменника с большой недорекуперацией даже при самом идеальном теплообмене. Для уменьшения потерь от недорекуперации необходимо сокращать долю газа D, направляемого в детандер, до тех пор, пока условия теплообмена не будут выполнены.
Анализ рассматриваемого цикла показывает, что каждому значению давления Р2 соответствуют оптимальная доля газа D, направляемая в детандер, и оптимальная температура Т3 газа перед детандером. С увеличением Р2 уменьшается D и возрастает Т3.
Эффективность работы детандера характеризуется величиной адиабатического коэффициента, который определяется выражением
(3.17)
Таким образом, оптимальные значения Т3, Р2 и D определяются с помощью вариантных расчетов.