2.3.3. Детандерный криогенный цикл высокого давления Гейляндта

Криогенный цикл высокого давления с поршневым детандером был разработан в Германии Гейляндтом в 1907-1915 гг., на основе которого была разработана ВРУ высокого давления.

В установке Гейляндта применялось давление = 18 - 20 МПа, а детандер работал на начальном температурном уровне (рис.2.3), близком к окружающей среде , на практике = 276 - 280 К. Этот криогенный цикл до сих пор применяется в малых ВРУ при производстве сжиженных продуктов: кислорода и азота, - или газообразных продуктов под давлением до 150 бар и выше, создаваемым жидкостным плунжерным или поршневым насосом.

Детандерный криогенный цикл высокого давления показан на рис. 2.3. Он содержит компрессор (К), как правило, поршневой многоступенчатый, с промежуточными и конечным холодильником (КХ), предварительный теплообменник (П.Т/О), блок осушки и очистки (БОО), детандер (Д), как правило, поршневой, основной теплообменник (О.Т/О), детандерный теплообменник (Д.Т/О), дроссельные вентили ( и ) и сосуд-емкость (С) со сжиженным продуктом.

В реальной ВРУ газ-воздух после расширения в детандере поступает в нижнюю колонну, где давление поддерживается на уровне 0,6 МПа, а из нижней колонны уже сжиженный газ дросселируется в дросселе (условно) в верхнюю колонну, где давление поддерживается на уровне 0,13 – 0,15 МПа. При этом в детандере расширяется только часть воздуха, доля которого составляет Д = 0,5 – 0,55, а остальная часть газа дросселируется в дроссельных вентилях, условно на схеме показанном дросселе .

Работает установка следующим образом. Газ-воздух сжимается изотермически и охлаждается в компрессоре (К) и промежуточных и конечном холодильнике (КХ) до давления 18-20 МПа (процесс 1-2). При этом затрачивается работа при изотермическом сжатии определяется, как:

,

(2.45)

и отводится тепло в количестве, равном :

,

(2.46)

После чего сжатый воздух обратными потоками газа предварительно охлаждается в П.Т/О до температуры = 276 - 283 К, освобождается от капельной влаги во влагоотделителе (ВО) и направляется в блок осушки и очистки (БОО), где за счет адсорбции осушается от паров влаги и очищается от углекислоты и примесных углеводородов. При этом воздух нагревается на = 2 - 3 К в результате адсорбции газов. После БОО сжатый воздух разделяется на два потока: один поток

Рис. 2.3. Детандерный криогенный цикл высокого давления Гейляндта

Д направляется в детандер, доля которого равна Д = 0,5-0,55, другой поток (1-Д) поступает в основной теплообменник (О.Т/О). В детандере сжатый воздух адиабатно расширяется от давления = 18 - 20 МПа до промежуточного давления = 0,6 МПа, понижая свою температуру до , а затем поступает в детандерный теплообменник (Д.Т/О), где охлаждается обратными потоками газа до температуры , после чего дросселируется в и направляется в сосуд (С) со сжиженным газом.

Поток сжатого воздуха (1-Д) охлаждается сначала обратными потоками газа в основном теплообменнике (О.Т/О) до температуры , а затем доохлаждается обратными потоками газа в детандерном теплообменнике (Д.Т/О) до температуры , дросселируется в и направляется в сборник (С) сжиженного газа.

Из сборника С в случае ожижительного режима работы ожиженная часть газа Х выводится из сосуда в качестве сжиженного продукта, а другая часть (1-Х) направляется обратными потоками последовательно через теплообменники Д.Т/О, О.Т/О и П.Т/О, охлаждая прямой поток сжатого воздуха, при этом нагревается до температуры на 5-6 К ниже, чем температура поступающего сжатого воздуха на входе в П.Т/О.

При рефрижератором режиме сжиженная часть газа испаряется в сосуде С при температуре за счет подвода тепла от низкотемпературного источника тепла, и весь газ из сосуда С направляется обратными потоками через теплообменники Д.Т/О, О.Т/О и П.Т/О, охлаждая прямой поток сжатого воздуха, при этом нагревается до температуры на 5 - 6 К ниже, чем прямой поток поступающего воздуха в П.Т/О при температуре . Величина и является холодопроизводительностью этого цикла.

Для определения холодопроизводительности и доли выводимого сжиженного продукта Х составим тепловой энергетический баланс относительно контура А (рис. 2.3, пунктирная линия).

Для рефрижераторного режима:

.

(2.47)

Добавляем в последнее уравнение слева и справа значение , получим

,

2.48

где - – изотермический дроссель-эффект; - холодопроизводительность детандера; - потери холода от теплопритоков из окружающей среды; = 3-12 кДж/кг п.в.; - потери холода в блоке осушки и очистки (БОО) в результате адсорбции газа; - потери холода от недокуперации (в результате недогрева обратного потока газа).

Для ожижительного режима тепловой баланс имеет вид:

.

(2.49)

Также добавим слева и справа в последнее уравнение значение , получим:

,

(2.50)

здесь - изотермический дроссель-эффект; - холодопроизводительность детандера; - потери холода от теплопритоков из окружающей среды; =3-12 кДж/кг п.в.; - потери холода в блоке очистки и осушки в результате адсорбции газа; - потери холода от недорекуперации. ?

Удельная работа, затрачиваемая в этом цикле, равна

,

(2.51)

где - работа, производимая в детандере; - работа, затраченная в компрессоре.

Значение эксергетического КПД: в рефрижераторном режиме:

;

(2.52)

в ожижительном режиме:

;

(2.53)

Значение термодинамического КПД: в рефрижераторном режиме:

.

(2.54)

Значение термодинамического КПД в ожижительном режиме:

.

(2.55)

Как видно из уравнений (2.48) и (2.50) холодопроизводительность и выход сжиженного продукта Х в детандерном криогенном цикле увеличивается, по сравнению с дроссельным циклом на величину холодопроизводительности в детандере , при этом величина затрачиваемой работы в цикле уменьшается на величину работы, производимой в детандере .