2.6. Детандерный криогенный цикл низкого давления Капицы

Детандерный криогенный цикл низкого давления был предложен П.Л.Капицей в 1939 г., на основе которого впервые в мировой практике была создана в СССР ВРУ низкого давления с рабочим давлением 0,6 МПа. Вместо тихоходных и громоздких поршневых компрессоров и детандера высокого давления (20 МПа), применяемых в то время во ВРУ в Германии, П.Л. Капица разработал высокоскоростной турбодетандер реактивного типа, адиабатный КПД которого был на уровне 80 %. В качестве компрессора был применен турбокомпрессор, который был приобретен в Швейцарии у фирмы «Броун-Бовери».

Криогенный цикл низкого давления (рис. 2.5) включает в себя турбокомпрессор (ТК) с промежуточными и конечным холодильником (КХ), предварительный теплообменник (ПТ/О), влагоотделитель (ВО), блок осушки и очистки (БОО), основной теплообменник (ОТ/О), турбодетандер (ТД), детандерный теплообменник (ДТ/О), дроссельный вентиль (ДВ) и сосуд-емкость со сжиженным продуктом.

Установка работает следующим образом (рис. 2.5).

Сжатый воздух изотермически сжимается в турбокомпрессоре, промежуточных и конечном холодильнике (КХ) при температуре от давления до давления = 0,6 МПа (процесс 1-2). При этом затрачивается работа

,

(2.68)

и в окружающую среду отводится тепло , равное работе :

.

(2.69)

После турбокомпрессора сжатый воздух изобарно охлаждается обратным потоком газа в предварительном теплообменнике (ПТ/О) до температуры = 278-280 К, освобождается от капельной влаги во влагоотделителе (ВО) и поступает в блок осушки и очистки (БОО), где очищается от паров влаги, углекислоты и примеси углеводородов путем адсорбции. Далее сжатый воздух поступает в основной теплообменник (ОТ/О), где также обратным потоком газа изобарно охлаждается до температуры =125-130 К, и разделяется на два потока.

Первый поток сжатого воздуха в количестве Д направляется в турбодетандер ТД. При этом в реальных ВРУ этот поток воздуха относительно небольшой и составляет 20-25 %, если этот поток после расширения в турбодетандере направлен непосредственно в верхнюю ректификационную колонну. В ожижителе воздуха, когда этот поток воздуха технологически не связан с ректификационной колонной, его доля Д может составлять 70-75 %.

Рис. 2.5. Детандерный криогенный цикл низкого давления Капицы

При расширении в турбодетандере поток воздуха совершает работу

,

(2.70)

равную своей холодопроизводительности

,

(2.71)

где - изоэнтропийный перепад энтальпий в турбодетандере; - адиабатный (изоэнтропийный) КПД турбокомпрессора, равный = 0,8 – 0,85.

Другая часть сжатого воздуха в количестве (1-Д) направляется в детандерный теплообменник (ДТ/О), где изобарно охлаждается обратными потоками газа до температуры и затем дросселируется в Др до давления и поступает в сосуд С со сжиженным продуктом, который условно представляет ректификационную колонну ВРУ низкого давления. Доля сжиженного продукта Х в этом случае относительно небольшая и составляет Х= 0,03 – 0,05. Но главное назначение цикла низкого давления в реальных ВРУ – это получение газообразных продуктов разделения воздуха: кислорода, азота, аргона и редких газов, - и его холодопроизводительность должна равняться только потерям холода в установке от теплопритоков из окружающей среды , от адсорбции воздуха в БОО и недорекуперации обратного потока газа , которые необходимо выполнить в установке минимальными.

Из сосуда С несжиженная часть газа в случае ожижительного режима установки в количестве (1-Х) обратными потоками газа направляется последовательно через теплообменники Д.Т/О, О.Т/О и П.Т/О и нагревается, охлаждая прямой поток воздуха до температуры на =5-6 К ниже, чем температура сжатого воздуха на входе , а сжиженная часть газа в количестве Х выводится из установки в качестве продукта.

При рефрижераторном режиме работы сжиженная часть газа испаряется в сосуде С при температуре за счет теплопритоков от низкотемпературного источника тепла, которые и являются холодопроизводительностью установки. И весь газ из сосуда С в количестве единица направляется обратным потоком последовательно через теплообменники Д.Т/О, О.Т/О и П.Т/О, нагревается до температуры на = 5-6 К ниже чем температура на входе сжатого воздуха, охлаждая при этом прямой поток воздуха.

Для определения холодопроизводительности установки и доли сжиженного продукта Х составим тепловой энергетический баланс относительно балансового контура А:

при рефрижераторном режиме:

.

(2.72)

Добавляя справа и слева последнего уравнения значение энтальпии , получим

,

(2.73)

где - изотермический дроссель-эффект; - холодопроизводительность турбодетандера; - потери холода в окружающую среду, = 3-12 кДж/кг п.в.; - потери холода в результате адсорбции газа в блоке очистки и осушки; - потери холода от недорекуперации обратного потока.

При ожижительном режиме найдем долю сжиженного продукта Х также из теплового энергетического баланса относительно балансового контура А:

,

(2.74)

Удельная работа, затраченная в этом цикле, равна

,

(2.75)

где - изоэнтропийный перепад энтальпии в турбодетандере; - адиабатный (изоэнтропийный) КПД турбодетандера.

Значение эксергетического КПД: в рефрижераторном режиме:

;

(2.76)

в ожижительном режиме:

.

(2.77)

Значение термодинамического КПД: в рефрижераторном режиме:

;

(2.78)

в ожижительном режиме:

.

(2.79)