3. Технические процессы сжижения газов

3.1. Цикл высокого давления с однократным дросселированием

Схема такой установки и процесс сжижения воздуха в ней предложена К. Линде¹. Схема установки и ее рабочий процесс представлены на рис.3.1.

Рис.3.1. Схема установки К.Линде и ее квазицикл в T,s-диаграмме:I– компрессор;II– холодильник;III– регенеративный теплообменник;IV– дроссель;V– отделитель жидкости;

m– индекс высокого давления;n– индекс низкого давления

Отличием L-системы отR-системы является отвод сжиженного газа. Система становится открытой и в ней вместо цикла осуществляется квазицикл. Потокиmиnстановятся неравными.

Работа схемы от момента пуска:

Атмосферный воздух сжимается в компрессоре Iот начального давленияP_nдо давленияP_m=10-22 МПа и охлаждается в холодильникеIIдо температурыТ₂ =Т₁=Т_о.с. Затем он проходит теплообменникIII(при пускеТ₂=Т₃) и дросселируется (процесс 2-4). При этом температура воздуха снижается сТ₂до. Весь охлажденный воздух с давлениемP_nподается в ТОIII, где он охлаждает последующую (уже встречную) порцию сжатого воздуха до температуры(т.3, гдена величину температурного напора).

Далее уже этот воздух дросселируется и охлаждается до температуры . Он, в свою очередь, охлаждает следующую порцию сжатого воздуха до температурыи т.д.

Через некоторое время устанавливается стационарность (равновесие) процесса. Воздух за ТО будет иметь температуру Т₃и при дросселировании превращается во влажный пар с параметрами т.4. В отделителе жидкостиVнасыщенный пар с параметрами т.6 отделяется от капелек жидкости. Жидкий воздух с параметрами т.5, в количестеyкг, выводится из установки как конечный продукт.

Количество сжижавшегося воздуха может быть определено по диаграмме (правило рычага):

. (3.1)

Производительность установки по жидкому воздуху можно вычислить из энергетического баланса установки.

Примем производительность компрессора за 1 (1 кг). Тогда в ТО аппарат входит 1 кг воздуха с энтальпией i₂(после изотермического сжатия). Теплоприток извне (через теплоизоляцию) обозначим –q_из. Тепловой баланс установки (для расчетного контура) в таком случае может быть представлен соотношением:

, (3.2)

откуда или, кг. (3.3)

Видно, что производительность установки тем выше, чем больше числитель выражения (3.3), т.е. чем больше разность энтальпий i₇–i₂и меньше теплопритокq_из.

Примечание: приy=0 сжижительная установка превращается в криорефрижератор (с замкнутым циклом), где вся холодопроизводительность тратится на компенсацию теплопритока через изоляцию.

Обозначим величину i₁-i₇=i_н, которую называютнедорекуперацией. Отсюда i₇=i₁-I_н. Разностьi₁-i₂=i_т– называют изотермным дроссельэффектом (см. ф. 2.3).

Подставив эти величины в равенство (3.3) получим расчетное соотношение для производительности установки:

, (3.4)

где i₁-i₅=q_ож– теплота сжижения. Очевидно, что производительность установки тем выше, чем больше изотермный дроссельэффект, меньше недорекуперация и теплоприток извне. (Т.к. числитель меньше знаменателя, то вычитаниеi_н ведет к уменьшению дроби).

Эффективность работы сжижительной установки оценивается эксергетическим КПД, который представляет собой отношение минимальной работы сжижения l_мин=y(e₅-e₁)=l_сжyк действительно затраченной работе в установкеl_дей:

, (3.5)

где _из.к,_э.м.к– изотермический и электромеханический КПД компрессора;– суммарные удельные потери энергии в процессе сжатия.

Тогда КПД установки можно представить:

. (3.6)

В современных компрессорах (особенно в малых) потери d_квелики и составляют от 40 до 85 % подводимой мощности. Достаточно велики потери эксергии в дросселе криоблока (до 30-40%). Потери от недорекуперации обычно невелики (до 11%) и в ряде случаев при расчетах ими можно пренебречь.

Суммарный КПД таких воздухосжижительных установок не превышает 15%, и, как правило, составляет примерно 6-10%. Для уменьшения потерь в дросселях их иногда заменяют дроссельно-эжекторной системой. Это позволяет повысить КПД примерно на 3 %.