3.4. Схема и квазицикл установки высокого давления (процесс п. Гейландта)

Расчеты воздухосжижительных установок с детандерами в СПО показывают, что для достижения максимальных КПД во всех вариантах параметров, необходимо поддерживать оптимальное соотношение между давлением цикла (P_m) и температурой воздуха перед детандером (Т₈).

Чем выше применяемое давление, тем выше должна быть температура Т₈и меньше доля отводимого на детандер воздухаМ. Например, приP_m20 МПа в детандер следует отводить воздух сT₈273KиМ0,5.

Эту особенность заметил немецкий физик П. Гейландт. Это позволило ему в 1906 г. создать высокоэффективную установку с детандером высокого давления. Преимущество этой установки в том, что детандер работает при сравнительно высоких температурах и не требует сложной конструкции и теплоизоляции.

Схема и квазицикл такой установки приведен на рис. 3.4.

Рис.3.4. Схема и квазицикл воздухосжижительной установки высокого давления с высокотемпературным детандером (процесс П. Гейландта)

Рабочий процесс в этой установке протекает аналогично установке Клода: 1-2 – изотермическое сжатие; 8-10 – расширение части воздуха (М, кг) в детандере; 8-3 – охлаждение остальной части воздуха (1-М, кг) в теплообменниках СПО; 3-4 – дросселирование сP_m доP_n; 4-5-6 – сепарация влажного пара (воздуха); 6-11 – подогрев паров (воздуха) в ТОIV; 10-11 - смешивание потоков; 11-7 – регенеративный подогрев уходящего воздуха в ТОIII.

Расчет производительности и КПД установки осуществляется по тем же формулам (3.10 и 3.11), с учетом изменения индексов в характерных точках схемы.

3.5. Схема установки квазицикл установки низкого давления с расширением в турбодетандере (процесс п.Л. Капицы)

Если в установке Клода-Гейландта уменьшать давление сжатия P_m, то снижается и оптимальная температура начала расширения в детандереТ₈. В пределе можноТ₈снижать до тех пор, пока воздух в конце расширения не достигнет границы насыщения, т.е. температурыТ₆.

При этом оптимальное давление P_mснизится для воздуха до 0,6-0,8 МПа. Это давление легко достижимо даже в турбокомпрессорах. Оптимальное количество воздуха, пропускаемого через детандер (М), достигает значений 92-95 % общего расхода воздуха через компрессор.

Однако реализовать такой цикл стало возможным только в 1938 г., когда академиком П.Л. Капицей был создан высокоэффективный турбодетандер с адиабатным КПД равным 0,8-0,86, надежно работающий в области близкой к кривой насыщения.

На базе этих турбодетандеров в 1943 г. были созданы первые высокопроизводительные воздухосжижительные установки (см. рис.3.5).

Рис.3.5. Схема и квазицикл воздухосжижительной установки низкого давления с турбодетандером (процесс П.Л. Капицы²):

I- турбокомпрессор; II – холодильник;III– регенеративный теплообменник СПО;IV– теплообменник-ожижитель СПО;V– дроссель (СОО);VI– сепаратор;VII– турбодетандер

Рабочие процессы в установке Капицы аналогичны предыдущим:

1-2 – изотермическое сжатие; 2-8 – охлаждение в регенераторе; в т.8 – разделение потоков (в детандер М92-95 %); 8-9 – расширение в детандере; 8-3 – охлаждение и сжижение оставшейся части (1-М) воздуха; 3-4 - дросселирование этого воздуха; 4-5-6 – разделение фаз; 6-10-7 – подогрев сбрасываемого воздуха.

Преимуществаустановки Капицы:

1. Применение турбомашин позволяет создавать установки практически любой производительности;

2. Установка получается компактной, надежной, с малой металлоемкостью, хорошо уравновешенной, следовательно, более дешевой;

3. Получается абсолютно чистый воздух, без следов смазочных масел;

4. Применение низкого давления (0,5-0,7 МПа) позволяет использовать вместо рекуперативных теплообменников более эффективные теплообменники регенеративного типа;

5. Высокий КПД отдельных аппаратов и агрегатов.

Недостаток: увеличивается расход энергии на 1 кг сжиженного воздуха, т.к. возрастает общее количество перерабатываемого воздуха. Таким образом удельный расход энергии в этой установке больше, чем в установках Клода и Гейландта, но с увеличением производительности их показатели сближаются. КПД установки Капицы равен примерно 13-14 %.

Достоинства и недостатки циклов высокого, среднего и низкого давлений позволили создать высокоэффективные комбинированные установки. В них используются многоступенчатое охлаждение и агрегаты с высокими КПД. В настоящее время именно такие схемы приняты при создании крупных установок с большой производительностью. Они довольно разнообразны и серийно выпускаются отечественной промышленностью [2].