7.1.2. Цикл с предварительным охлаждением и дросселированием

Характеристики цикла с дросселированием можно значительно улучшить предварительным снижением температуры рабочего вещества, поступающего в дроссельную ступень (рис. 24).

Это существенно увеличивает изотермический эффект дросселирования ∆i_T для любого реального газа, а для газов, имеющих низкую Т_инв , обеспечивает положительное значение дроссель эффекта. Кроме того, предварительное охлаждение обеспечивает компенсацию части потерь (q_н + q_с).

Предварительное охлаждение можно осуществить любым внеш-ним циклом; чаще всего для этого применяют жидкий хладагент, ожижаемый в отдельной установке. При этом цикл становится двухступенчатым, т.к. в нем используют два низкотемпературных процесса: дросселирование и внешнее предварительное охлаждение.

В компрессоре К сжимается 1 кг газа от р₁ до р₂. Теплота сжатия q_к отводится в окружающую среду. Затем поток охлаждается в теплообменнике Т1 в интервале температур от Т₂ до Т_2” , после чего теплота отводится ожижаемым хладагентом, который в количестве G₀ подается в ступень внешнего охлаждения В, температура криоагента прямого потока снижается до Т_2’. Дальнейшее охлаждение происходит в теплообменнике Т2 до Т₃. Далее поток дросселируется в дроссельном вентиле ДВ, жидкость в количестве x состояния f выводится из цикла, пар состояния 5 в качестве обратного потока в количестве (1-х) проходит последовательно через теплообменники Т2 и Т1 нагревается до состояния 1^’, затем смешивается с новой порцией газа в количестве x и поступает на всасывание в компрессор.

Теплоту, отводимую внешним источником, определяем из энергетического баланса ступени с внешним охлаждением:

для ожижительного режима:

q₀= G₀(i₈ – i₇) = x(i_1’ – i_6’) + (∆i_T2’ - ∆i_T1 + C_p(∆T₁ - ∆T₂) + q_c1); (84)

для рефрижераторного режима:

q₀ = G₀ (i₈ – i₇) = (∆i_T2’ - ∆i_T1 + C_p (∆T₁ - ∆T₂) + q_c1). (84)

Эта теплота расходуется на компенсацию не потерь из-за теплопритока от окружающей среды, от неполноты рекуперации, равной С_р(∆T₁ - ∆T₂), а также идет на увеличение дроссель эффекта от ∆i_T1 до ∆i_T2

Коэффициент ожижения в ожижительном режиме определяется из уравнения энергетического баланса дроссельной ступени.

(85)

Удельная холодопроизводительность в рефрижераторном режиме составляет:

q_x=∆i_T2 -С_р∆T₂- q_c2. (86)

Рис. 24. Цикл с дросселированием и предварительным внешним охлаждением; а) схема; б) диаграмма Т-s

В данном цикле полные затраты работы складываются из работы на сжатие газа в КМ L_км и дополнительных расходов энергии L_доп на получение жидкого х / а (G₀), т.е. L = L _км + L _доп.

L_доп = G₀ l₀^доп, (87)

где l₀^доп - удельный расход энергии на ожижение единицы массы хладагента.

Иногда целесообразно L_доп определять следующим образом:

L_доп=q₀/q_0д. (88)

Удельные затраты работы в рефрижераторном режиме составляют:

; (89)

в ожижительном режиме:

. (90)

Характеристики цикла с предварительным охлаждением существенно лучше, чем цикла с простым дросселированием. _t увеличивается в 2,5-3 раза, причем дополнительные затраты работы l_доп незначительно по сравнению с работой сжатия в КМ.

Улучшение характеристик сопровождается усложнением криогенной установки. Для ожижения воздуха и его компонентов для внешнего охлаждения используется аммиак, для ожижения водорода и неона для внешнего охлаждения используют жидкий азот. Для ожижения гелия для внешнего охлаждения используют жидкий водород.

При расчетах циклов для Н₂ и Ne рекомендуются следующие исходные данные: ∆T₂ < 3 К; ∆T₁ = 10  15 К; q_с = (0,03  0,05) ∆i_T. Удельная работа, затрачиваемая на получение 1 кг жидкого N₂ или воздуха, - l₀^доп = 4  5 МДж, причем действительный расход G_o хладагента может превышать расчетный из-за потерь и расходов на дополнительные нужды.

Для улучшения показателей дроссельных циклов можно использовать двойное дросселирование.