2.3.4. Детандерный криогенный цикл среднего давления Клода

Детандерный криогенный цикл среднего давления впервые был разработан Жаком Клодом во Франции в 1902-1904 гг на основе которого была создана ВРУ среднего давления. В отличие от детандерного криогенного цикла высокого давления в этом цикле Клод применил давление = 4,0 МПа и разработанный им поршневой детандер среднего давления, который был включен в установку на температурном уровне 160-200 К. Криогенный детандерный цикл среднего давления до сих пор широко используется во ВРУ малой и средней производительности. С разработкой в 1970 г турбодетандера среднего давления поршневой детандер во ВРУ был заменен на турбодетандер. При использовании поршневых многоступенчатых компрессоров давление воздуха на выходе из компрессора поднимается до 7 МПа, а при использовании турбокомпрессоров давление воздуха на выходе понижается до 3,0 МПа.

Детандерный криогенный цикл среднего давления (рис.2.4) содержит компрессор (К) с промежуточными и конечными холодильниками (КХ), предварительный теплообменник (П.Т/О), отделитель капельной влаги (ВО), блок осушки и очистки (БОО), теплообменники Т/О1 и Т/О2, детандер (Д), детандерный теплообменник (Д.Т/О), дроссельные вентили и , сосуд-емкость (С) со сжиженным продуктом.

Криогенный детандерный цикл работает следующим образом.

Рис. 2.4. Детандерный криогенный цикл среднего давления Клода

В компрессоре (К), промежуточном и конечном холодильнике (КХ) воздух изотермически сжимается при температуре от атмосферного давления до давления = 3 - 7 МПа (процесс 1-2). При этом затрачивается работа

,

(2.56)

и отводится тепло :

.

(2.57)

Далее сжатый воздух поступает в предварительный теплообменник (П.Т/О), где изобарно охлаждается обратными потоками газа от температуры до температуры = 278 - 280 К (процесс 2-3), освобождается от капельной влаги во влагоотделителе (ВО) и поступает в блок осушки и очистки (БОО). В БОО сжатый воздух очищается от паров воды, углекислоты и примесных углеводородов за счет адсорбции газов при этом нагревается на = 2 - 3 К (процесс 3-4).

Далее сжатый воздух поступает в теплообменник Т/О1, где изобарно охлаждается обратными потоками газа до температуры = 160 - 200 К, после чего поток сжатого воздуха разделяется на два. Часть потока в количестве Д = 0,6 - 0,65 направляется в детандер, где адиабатно расширяется от давления = = 3 - 7 МПа до промежуточного давления = 0,6 МПа и температуры =100 К, при этом в детандере производится работа

,

(2.58)

где - адиабатный (изоэнтропный) КПД детандера.

После чего эта часть воздуха дополнительно охлаждается в детандерном теплообменнике (Д.Т/О) (процесс 6-7) и дросселируется в после чего направляется в сосуд С ожиженного газа, который условно можно принять за разделительные колонны ВРУ.

Другая часть сжатого воздуха (1-Д) направляется в теплообменник Т/О2, где изобарно охлаждается обратными потоками газа до температуры и далее направляется в детандерный теплообменник (Д.Т/О). В детандерном теплообменнике охлаждается обратными потоками газа до температуры и затем дросселируется в дроссельном вентиле и направляется в сосуд С сжиженного газа.

В случае ожижительного режима установки сжиженная часть газа в количестве Х выводится из сосуда С в качестве сжиженного продукта, а не сжиженная часть газа в количестве (1-Х) из сосуда обратным потоком направляется последовательно через теплообменники Д.Т/О, Т/О2, Т/О1, изобарно нагревается при р₁ до температуры на = 5 - 10 К ниже температуры окружающей среды , охлаждая при этом прямой поток сжатого воздуха.

В случае рефрижераторного режима работы установки сжиженная часть газа в сосуде С испаряется за счет теплопритоков от низкотемпературного источника тепла при температуре , в количестве , что является холодопроизводительностью установки. И весь газ в количестве единицы из сосуда С обратным потоком направляется последовательно через теплообменники Д.Т/О, Т/О2, Т/О1, П.Т/О, изобарно нагревается до температуры на = 5 - 10 К ниже, чем температура сжатого воздуха на входе, , охлаждая при этом прямой поток сжатого воздуха.

Для определения холодопроизводительности установки и доли сжиженного продукта Х, составим тепловой (энергетический) баланс относительно балансового контура А, который является границей данной термодинамической системы.

Для рефрижераторного режима работы:

.

(2.59)

Добавим в последнее уравнение справа и слева значение , получим

,

(2.60)

где - изотермический дроссель-эффект; - холодопроизводительность детандера; - потери холода от теплопритоков из окружающей среды; - потери холода в блоке очистки и осушки в результате адсорбции газа; - потери холода от недорекуперации.

Для ожижительного режима работы установки:

.

(2.61)

Также добавим в последнем уравнении справа и слева значение и найдем долю сжиженного продукта Х, выводимого из сосуда С:

,

(2.62)

где - 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, затраченная в цикле:

,

(2.63)

где - изоэнтропийная работа, производимая в детандере; - адиабатный КПД детандера.

Значение эксергетического КПД: в рефрижераторном режиме:

;

(2.64)

в ожижительном режиме:

.

(2.65)

Значение термодинамического КПД: в рефрижераторном режиме:

;

(2.66)

в ожижительном режиме:

.

(2.67)