13.4 Ожижитель Клода
С термодинамической точки зрения, расширение в дросселе является необратимым процессом. Таким образом, для того, чтобы приблизиться к идеальной эффективности, нужно найти лучший процесс для получения низких температур.
В системе Клода, показанной на рисунке, энергия отводится от газового потока за счет производства им работы в расширительной машине или детандере. Если процесс в детандере обратимый и адиабатный (что сочтем справедливым для данного анализа), то этот процесс является изоэнтропным, в котором достигается более низкая температура, чем для изоэнтальпного расширения.
1 – баллон сжатого газа; 2 – редуктор; 3 – компрессор; 4…7 – теплообменные аппараты; 8 – поршневой детандер; 9 – дроссель; 10 – сосуд Дьюара
В системе Клода газ первоначально сжимается до давления примерно 4 МПа и затем проходит через первый теплообменник. Около 60…80 % газа отделяется затем от основного потока, расширяется в детандере и вновь объединяется с обратным потоком за вторым теплообменником. Далее ожижаемый поток движется через второй и третий теплообменники и, наконец, дросселирует в сборник жидкости. Холодный пар из сборника жидкости возвращается через теплообменники, охлаждая поступающий газ. Дроссель по-прежнему необходим в системе Клода, так как детандер реальной системы не может выдержать большое влагосодержание. Жидкость имеет значительно меньшую сжимаемость, чем газ. Поэтому, если в цилиндре детандера (поршневого типа) образуется жидкость, это приведет к высоким ударным нагрузкам. Были разработаны некоторые турбодетандеры (осевого типа), успешно работающие с содержанием жидкости до 15 % по весу без разрушения лопаточного аппарата турбины.
В некоторых системах Клода работа, получаемая в детандере, используется при сжатии газа. В большинстве малых систем энергия рассеивается в тормозах или потребляется воздушным внешним вентилятором. На выход жидкости не оказывает влияния, рассеивается энергия или нет; однако в том случае, когда работа детандера не используется, естественно, увеличиваются затраты работы на сжатие.
13.5 Цикл Капицы
Капица модернизировал базовую схему Клода, отказавшись от третьего, или низкотемпературного, теплообменника. В систему также введено несколько значительных технических усовершенствований. Вместо поршневого детандера был использован турбодетандер.
Благодаря этому удалось увеличить расход рабочего тела, что позволило уменьшить рабочее давление системы и, как следствие, массу установки.
Первый, или высокотемпературный, теплообменник в системе Капицы представлял собой в действительности набор регенераторов с клапанами, в которых объединяются процессы охлаждения и очистки. Входящий теплый газ охлаждался в одном регенеративном элементе, и в нем же осаждались примеси, в то время как выходящий поток нагревался в другом элементе регенератора и выносил примеси, осажденные в нем ранее. Через несколько минут срабатывали клапаны и переключали потоки высокого и низкого давлений с одного элемента на другой. Система Капицы обычно работала при сравнительно низких давлениях — примерно 700 кПа.
