Циклы глубокого охлаждения
Все циклы криогенных установок могут быть разделены на три основные группы:
1. Рефрижераторные циклы, которые служат для охлаждения и термостатирования. В качестве примера рефрижераторных установок можно указать криогенные рефрижераторы для охлаждения и поддержания низкой температуры в исследовательских криостатах, высоковакуумных камерах и т.д.
2. Ожижительные циклы применяются для получения жидких азота, кислорода, водорода, метана, гелия. Следует указать, что понятие «цикл» применимо к замкнутым круговым процессам, когда система возвращается к начальному состоянию.
3. Циклы газоразделительных установок. В процессе разделения газовой смеси необходимо охлаждение смеси до сухого насыщенного состояния и последующая конденсация смеси.
По принципу работы (по способу охлаждения) циклы глубокого охлаждения газов можно разделить на три категории:
1. Циклы с применением эффекта дросселирования. К этой категории относятся циклы с однократным дросселированием, с двумя давлениями воздуха, с циркуляцией воздуха среднего давления и варианты этих циклов с промежуточным аммиачным охлаждением.
2. Циклы с применением адиабатного расширения и отдачей внешней работы.
3. Комбинированные циклы с дросселированием и расширением газа в детандере.
Дросселирование - продавливание текущего вещества через канал с большим гидравлическим сопротивлением – узкий проход в вентиле, пористое тело или трубку с малым сечением – капилляр. Давление вещества при этом, естественно, снижается, но энергия, никуда не отводится и остается неизменной. Тем не менее дросселирование может использоваться как эффективное средство охлаждения.
Принципиальная схема цикла с однократным дросселированием (цикл Линда). Воздух сжимается в компрессоре высокого давления, охлаждается в холодильнике компрессора, затем поступает в теплообменник, где охлаждается обратными потокоми кислорода и азота и поступает в колонну двухкратной ректификации, кислород и азот поступают в теплообменник, охлаждая встречный поток воздуха.
Принципиальная схема установки цикла среднего давления с расширением части воздуха в детандере. Воздух сжимается в компрессоре, охлаждается в холодильнике компрессора, затем поступает в первый по ходу теплообменник, где охлаждается встречным потоком кислорода и азота до некоторой температуры. Кислород и азот выходят из теплообменника, а воздух делится на два потока. Один поток поступает в поршневой детандер, где расширяется с отдачей внешней работы до давления нижней колонны 0,6 МПа, а остальная часть воздуха с учетом КПД детандера поступает во второй по ходу теплообменник, где охлаждается встречным потоком кислорода и азота, после чего дросселируется до давления 0,6 МПа и поступает вместе с воздухом из детандера в нижнюю колонну. Получаемый в верхней колонне под давлением 0,13МПа кислород и азот направляются в теплообменник, где охлаждают встречный поток воздуха, и затем выводятся из установки.
Академик Капица создал высокоэффективный активно-реактивный турбодетанд, работающий по принципу низкого давления (цикл Капицы). На основе этого принципа построены все крупнотоннажные установки для разделения воздуха.
При работе по этому циклу воздух сжимается в компрессоре до давления Р = 0,6-0,7 МПа, затем поступает в теплообменник-регенератор, где охлаждается несконденсировавшимся воздухом. После теплообменника-регенератора воздух разделяется на два потока. Большая часть воздуха (94 %) направляется в турбодетандер, в котором расширяется до давления Р = 0,15 МПа. Меньшая часть воздуха поступает в межтрубное пространство конденсатора, где охлаждается и конденсируется. Жидкий воздух из межтрубного пространства через дроссельный вентиль дросселируется с 0,6 до 0,3 МПа и поступает в сборник. Расширенный воздух из турбодетандера направляется в трубы конденсатора, а оттуда в теплообменник-регенератор.
Применение в цикле воздуха низкого давления позволяет устанавливать регенераторы, благодаря чему не требуется предварительная осушка воздуха и очистка его от СО2.