2.3. Криогенные циклы

2.3.1. Криогенный дроссельный цикл

Впервые криогенный дроссельный цикл с регенеративным теплообменом был предложен в 1895 г. независимо друг от друга Линде в Германии и Хэмпсоном в Англии для ожижения воздуха. Поэтому в литературе этот цикл называют или циклом Линде, или циклом Хэмпсона.

Цикл с дросселированием при относится к числу наиболее распространенных в низкотемпературной технике, как в холодильной, так и криогенной. Это обстоятельство вызвано исключительной простотой и надежностью в работе дроссельного устройства, которое в ряде случаев компенсирует недостатки процесса дросселирования по сравнению с процессом детандирования.

Применение процесса дросселирования позволяет в ряде случаев снизить температуру рабочего тела на относительно большую величину. Особенно дроссель-эффект имеет существенные значения в холодильной технике даже при относительно небольшой разнице давлений на входе и выходе дросселя и умеренных температурах.

В криогенной технике существенное значение дроссель-эффекта в процессе дросселирования можно добиться только при высоком давлении рабочего тела – воздуха на входе и низких температурах, когда процесс дросселирования происходит в области влажного пара. Поэтому криогенный дроссельный цикл в ВРУ применяется только при высоком давлении, 20 МПа и низких температурах, при которых дроссель-эффект имеет существенное значение. В последнее время в связи с тенденциями понижения давления в ВРУ процесс дросселирования применяется только в сочетании с процессом детандирования и предварительным внешним охлаждением, как правило, с холодильной машиной.

Однако криогенный цикл с простым дросселированием до сих пор применяется как в рефрижераторном режиме, когда выдача продуктов разделения производится только в газообразном виде, так и ожижительном режиме, когда часть продуктов разделения выдается в жидком (сжиженном) состоянии.

Схема и процессы криогенного дроссельного цикла показаны на рис. 2.1. Он содержит компрессор (К), как правило, поршневой многоступенчатый, концевой и промежуточные холодильники (КХ), предварительный теплообменник-ожижитель (П.Т/О), блок очистки и осушки (БОО) от углекислоты и влаги, и примесей углеводородов, отделитель капельной влаги (ВО), основной теплообменник (О.Т/О), дроссельный вентиль (ДВ) и сосуд-емкость (С) для сжиженного воздуха, который условно может представлять как разделительные колоны в ВРУ. Процессы, происходящие в криогенном дроссельном цикле представлены в диаграмме (в данном случае для воздуха).

В этом цикле воздух изотермически сжимается, как правило, в поршневом многоступенчатом компрессоре от давления = 0,1 МПа до давления = 20 МПа при температуре окружающей среды . При этом затрачивается работа, отнесенная к единице воздуха, равная

,

(2.12)

где – изотермический КПД компрессора, равный 0,55- 0,6.

Одновременно в процессе изотермического сжатия в промежуточных и конечном (концевом) холодильниках отводится тепло

,

(2.13)

равное работе сжатия .

Рис. 2.1. Схема и процессы дроссельного криогенного цикла Линде-Хэмпсона

Именно в процессе изотермического сжатия 1-2 определяется значение дроссель-эффекта, независимо от температурного уровня проведения процесса дросселирования. Оно определяется изотермическим дроссель-эффектом, равным

,

(2.14)

который и определяет холодопроизводительность этого цикла

.

(2.15)

Для проведения эффективной осушки и очистки воздуха температура перед БОО предварительно снижается до = 275-280 К в П.Т/О, после чего на линии сжатого воздуха устанавливается влагоотделитель ВО для удаления из воздуха капельной влаги. Дальнейшая осушка воздуха от паров воды и очистка от углекислоты и углеводородов происходит в БОО.

В этом криогенном дроссельном цикле имеются потери холода:

,

(2.16)

- это потери, обусловленные неполнотой рекуперации тепла (недогрева) обратного потока газа на величину ;

- потери, вызванные теплопритоками из окружающей среды через изоляцию, которые определяются качеством изоляции и производительностью установки; находятся в пределах = 3 - 12 кДж/кг и выше в малых установках;

- потери в БОО, вызванные нагревом газа (воздуха) в процессе адсорбции на 2 –3 К,

.

(2.17)

В результате удельная холодопроизводительность реального дроссельного цикла определяется, как

.

(2.18)

Холодопроизводительность реального дроссельного цикла можно определить и из теплового энергетического баланса установки (теплового контура А, обозначенного на рис. 2.1. пунктирной линией) по тепловым потокам входящим и выходящим из балансового контура А (контур А рассматривается как границы термодинамической системы):

,

(2.19)

Добавим значение справа и слева этого равенства, получим

(2.20)

или

.

(2.21)

Для ожижительного режима работы установки тепловой энергетический баланс имеет вид:

.

(2.22)

Также добавим слева и справа последнего уравнения значение , получим

.

(2.23)

Откуда определим долю ожиженного продукта (воздуха), как

.

(2.24)

Эффективность работы криогенного дроссельного цикла, как любого низкотемпературного цикла, оценивается:

по удельным затратам работы для производства в рефрижераторном режиме:

,

(2.25)

по удельным затратам работы на производство сжиженного продукта Х в ожижительном режиме:

,

(2.26)

по термодинамическому КПД:

.

(2.27)

Здесь  - реальный холодильный коэффициент

.

(2.28)

– холодильный коэффициент идеального цикла Карно

,

(2.29)

по эксергетическому КПД:

.

(2.30)

Анализ эффективности работы криогенного дроссельного цикла показывает, что максимальные значения холодопроизводительности или доли сжиженного продукта Х определяются только возможной максимальной величиной изотермического дроссель-эффекта . Величина , в свою очередь, определяется разностью энтальпий ( ) и соответственно, разностью давлений и параметрами состояния данного рабочего тела.

С увеличением давления растет и величина , но только до определенного значения , когда наступает состояние инверсии данного рабочего тела, и , или

.

(2.31)

Дальнейший рост приводит к уменьшению дроссель-эффекта . Это положение и определяет оптимальное значение давления в криогенном дроссельном цикле.

Применение регенеративного теплообмена в криогенном дроссельном цикле не увеличивает холодопроизводительность , но значительно снижает температурный уровень получаемого холода, что повышает «качество» холода или увеличивает его эксергию. Это, в свою очередь, увеличивает и термодинамический, и эксергетический КПД, и повышает эффективность работы криогенного дроссельного цикла.