2.2. Потери холода в криогенных циклах

Чтобы дать оценку эффективности работы различным криогенным циклам, необходимо определить их величину холодопроизводительности, затрат энергии, производительность по газообразным или жидким продуктам и потери холодопроизводительности. Суммарная холодопроизводительность криогенного цикла должна компенсировать как потери холодопроизводительности, так и полезную холодопроизводительность установки.

Под полезной холодопроизводительностью установки следует понимать:

в рефрижераторном режиме – это количество отводимого тепла от низкотемпературного источника тепла при температуре криостатирования . Его удельная величина оценивается значением эксергии этого тепла:

,

(2.1)

которая является отрицательной величиной;

в ожижительном режиме работы – это количество необходимого холода для получения доли Х ожиженного продукта, отводимого из установки при температуре . Его удельная величина также оценивается эксергией этой жидкости

,

( 2.2)

где r - теплота парообразования (или конденсации) этой жидкости при температуре .

При составлении энергетического баланса величина необходимого холода для компенсации полезной холодопроизводительности равна при рефрижераторном режиме значению , а при ожижительном режиме значению , где Х - доля выходящей жидкости из установки при энтальпии , – значение энтальпии уходящих газов на выходе установки.

В криогенных установках имеют место следующие потери холодопроизводительности:

Потери холодопроизводительности от теплопритоков из окружающей среды или удельные потери . Величина существенно зависит от производительности установки, и необходимо правильно определить её значение, что особенно важно для установок с малой удельной холодопроизводительностью.

На основании опыта эксплуатации и проектирования ВРУ низкого давления выведена эмпирическая зависимость, которая может быть использована для определения удельных теплопритоков из окружающей среды, отнесенных к количеству перерабатываемого воздуха, в том числе и для малых и средних ВРУ [1]:

,

(2.3)

где В – количество перерабатываемого воздуха, м3/ч; - коэффициент, учитывающий тип ВРУ ( =1 - для ВРУ технического кислорода с аргоном; 0.9 - тоже без аргона; 0,8 – для технологического кислорода; 0,7 – для азотных ВРУ); - коэффициент, учитывающий тип узла охлаждения ( = 1 - на регенераторах; 0,8 – реверсивных или нереверсивных теплообменниках).

Удельные теплопритоки распределяются по узлам и аппаратам установки, примерно, следующим образом:

Теплопритоки к узлу ректификации, которые в общем случае включают: теплопритоки к ректификационным колоннам (нижний - ; верхний - ; сырого аргона - ; технического аргона - ; криптона - ; чистого азота - ; технического кислорода - ; конденсатора-испарителя - ):

(2.4)

Теплопритоки к узлу охлаждения (регенераторам и ПРТ):

;

(2.5)

.

(2.6)

Для ВРУ технического кислорода с аргоном и узлом охлаждения – нереверсивных ПРТ удельные теплопритоки из окружающей среды в зависимости от перерабатываемого воздуха приведены в табл. 2.1 [1].

Таблица 2.1

Удельные теплопритоки из окружающей среды

Объемный расход перерабатываемого воздуха, м3/ч	1500	3000	6000	10000	30000	60000	90000	180000	360000
Удельные теплопритоки, кДж/кМоль	240	190	155	130	90	75	65	50	40
Удельные теплопритоки, кДж/кг	8,287	6,56	5,35	4,49	3,11	2,59	2,24	1,73	1,38

Для малых ВРУ величина может достигать 12 кДж/кг и более.

Потери холодопроизводительности в блоке осушки и очистки (БОО) в результате адсорбции газа – воздуха.

При прохождении БОО воздух нагревается на 2-3 К в результате адсорбции. Удельные потери холодопроизводительности можно оценить как

.

(2.7)

Здесь – соответственно, температура и энтальпия воздуха на входе в БОО; – соответственно, температура и энтальпия воздуха на выходе из БОО; – изобарная теплоемкость воздуха.

Потери холодопроизводительности от недорекуперации (недогрева) обратного потока газа.

При прохождении обратных потоков газов (продуктов разделения воздуха) через теплообменные аппараты на выходе теплого конца конечного теплообменника (как правило, предварительного теплообменника) газы недогреваются на по отношению к прямому потоку воздуха, что и оставляет потери холодопроизводительности от недорекуперации. Если принять количество поступающего воздуха за единицу, то величину этих потерь можно определить как

,

(2.8)

Здесь К, А, Аr - соответственно, количество обратных потоков кислорода, азота, аргона; - соответственно, изобарные теплоемкости кислорода, азота, аргона.

Потери холодопроизводительности в жидкостном насосе.

Эти потери складываются из 2-х слагаемых

(2.9)

Первое слагаемое – это потери, связанные с повышением температуры и энтальпии жидкости при совершении работы в насосе для повышения давления жидкости до 15 МПа и выше. Эту работу можно приблизительно определить по или диаграмме по разности энтальпий адиабатного процесса повышения давления жидкости от начального давления и температуры , до конечного давления :

, кДж/кг,

2.10

при этом энтальпия определяется по давлению в половину меньше, чем , т.е. по .

В последующем выражении К - это доля перекачиваемой жидкости, в данном случае кислорода, от перерабатываемого воздуха.

Второе слагаемое – это и теплопритоки из окружающей среды за счет теплопроводности и конвективного теплообмена, также трения в паре – поршень-цилиндр (плунжер-цилиндр), которые принимают на основе опыта, как

,

2.11

где К – доля перекачиваемой жидкости (кислорода) по отношению к перерабатываемому воздуха.