Учебный вопрос № 3. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы)

Холодильный цикл, разработанный академиком П. Л. Капицей в 1939 г., основан на применении воздуха низкого давления и получении необходимого холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (так называемом турбодетандере) с производством внешней работы. Схема холодильного цикла Капицы и диаграмма S–Т цикла даны на рис. 5 и 6.

2

Т

Т1 2 1

3

1

5

5% воздуха

95% воздуха

Энтропия S, ккал/(кг ·град)

Рис. 6. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере с расширением воздуха в турбодетандере на диаграмме S–Т

Рис. 5. Схема цикла низкого

Воздух сжимается до абсолютного давления Р2=0,6–0,7 МПа в турбокомпрессоре 1, охлаждается водой в холодильнике 2 и поступает в регенераторы (теплообменники) 3, где охлаждается обратным потоком холодного воздуха. На схеме условно показан один регенератор, в действительности их два, три и больше.

Основная часть воздуха (около 95 %) после регенераторов направляется в турбодетандер 4, расширяясь в нем до начального абсолютного давления Р1= 0,1 МПа с производством внешней работы и при этом охлаждается почти до начала конденсации. Расширившийся в турбодетандере воздух подается в трубное пространство конденсатора 5 и конденсирует остальную часть сжатого воздуха (5 %), поступающего в межтрубное пространство. Из конденсатора 5 основной поток воздуха направляется противотоком в регенераторы и охлаждает их насадку, которая после переключения потоков охлаждает поступающий сжатый воздух. Жидкий воздух из конденсатора через дроссельный вентиль 6 перепускается в сборник жидкого воздуха 7, откуда сливается через вентиль 8.

Из диаграммы S–Т этого цикла (рис. 5) изотермическое сжатие воздуха до абсолютного давления Р2 изображается горизонтальной линией 1–2, а охлаждение в регенераторах до состояния 3 – изобарой 2–3, соответствующей давлению Р2. По линии 3–4 происходит расширение воздуха в турбодетандере до абсолютного давления Р1, причем линия 3–4´ соответствует адиабатическому процессу расширения, а линия 3–4 – действительному. Конденсация оставшейся части воздуха, не проходившей через турбодетандер, протекает по линии 3–5–6. Линия постоянной энтальпии 6–7 соответствует процессу дросселирования воздуха смешиваются с потоком воздуха из турбодетандера и через трубки конденсатора поступают в регенератор, охлаждая его насадку; при этом они сами нагреваются до первоначальной температуры Т1 по линии 7–4–1 постоянного давления Р1.

Холодильный цикл организован таким образом, что наивыгоднейшее распределение воздуха между детандером и конденсатором происходит самопроизвольно, соответственно холодопотерям. Количество воздуха, поступающее на расширение в турбодетандере, определяется его пропускной способностью при данном давлении и температуре, т.е. холодопроизводительностью установки в целом.

Турбодетандер фактически является основной холодопроизводящей машиной, поскольку в данном цикле холодильным эффектом дросселирования с абсолютного давления Р2 можно пренебречь ввиду его малой величины по сравнению с холодопроизводительностью турбодетандера. Избыток производимого холода после покрытия потерь через изоляцию и от недорекуперации в регенераторах идет на сжижение воздуха.

Использование для сжатия и расширения воздуха турбомашин (турбокомпрессора и турбодетандера) с высоким кпд дает возможность создавать на базе этого цикла установки для получения больших количеств жидкого воздуха, жидкого азота или жидкого кислорода значительно большей производительности, чем при использовании поршневых машин. В цикле низкого давления существенно упрощается технологическая схема, облегчается обслуживание, повышаются надежность работы и взрывобезопасность установки.

Применение цикла одного низкого давления (моноцикла) в установках для получения газообразных продуктов разделения воздуха открыло большие возможности для создания агрегатов высокой производительности. Стоимость кислорода, получаемого на таких установках, настолько снизилась, что стало рентабельным использование его при получении чугуна, стали, многих продуктов химической промышленности и т.д.

Таким образом, можно сказать, что в результате осуществления указанного холодильного цикла с применением высокоэффективных турбокомпрессоров и турбодетандеров, регенераторов, а также усовершенствования ряда других аппаратов удалось достигнуть современных масштабов промышленного производства кислорода, азота и аргона.

Недостатком цикла является небольшой выход жидкого продукта и значительная доля потерь холода, связанная с большим количеством перерабатываемого воздуха. При работе на жидкий кислород выход будет еще меньше вследствие необходимости обеспечения достаточного количества флегмы для ректификационного аппарата и связанного с этим требованием уменьшения количества воздуха, направляемого в турбодетандер. С другой стороны, в крупных установках, предназначенных для получения жидкого кислорода, могут быть снижены потери в окружающую среду и на недорекуперацию. Удельный расход энергии в таких установках может соответственно составить 5000–5750 кДж на 1 кг жидкого кислорода.

Заметное увеличение выхода жидкого продукта и уменьшение удельного расхода энергии может быть получено с повышением давления сжатия. Так, например, при давлении 15 кгс/см2 количество жидкого воздуха увеличивается примерно в два раза, а удельный расход энергии уменьшается на 25 %. При работе на жидкий кислород с одним турбодетандером предел целесообразного повышения давления определяется ограничениями, накладываемыми процессом ректификации.

Очевидной становится целесообразность включения дополнительного турбодетандера для срабатывания излишнего перепада давления, причем на температурном уровне более высоком, чем определяемый требованием получения в конце расширения сухого насыщенного пара.

Изменить показатели цикла в благоприятную сторону можно также, если ввести относительно небольшую дополнительную ветвь воздуха высокого давления с предварительным охлаждением, направить весь этот воздух на расширение в детандер и присоединить его затем к потоку низкого давления.

Таким путем в цикл может быть введено значительное количество холода на более высоком уровне, чем получаемый в основном цикле, и последний принципиально целесообразнее будет использован.

Расчет показывает, что если, например, ввести дополнительно 10 % воздуха с давлением 20 МПа, охлажденного (аммиаком или фреоном) до 250–230 К, то выход жидкого продукта увеличится на 80–90 %, а удельный расход энергии уменьшится примерно на 30 %.

Это видоизменение циклов потребует, конечно, соответствующего увеличения теплообменных поверхностей и является по существу переходом к циклу двух давлений.

В крупных установках, характеризующихся относительно небольшими потерями в окружающую среду и на недорекуперацию и предназначенных для получения газообразных продуктов разделения, цикл низкого давления с турбодетандером является основным холодильным циклом.