7.1.3. Цикл с двойным дросселированием и циркуляцией части потока

В циклах с дросселированием улучшение показателей обеспечивают предварительным охлаждением и соответствующим увеличением дроссель-эффекта ∆i_T. Существует другой способ улучшения этих характеристик l₀,  и _t - рациональным выбором давлений потоков и особой схемой организации цикла.

При получении жидкого криопродукта, который почти всегда используют при давлении окружающей среды, неизбежны дросселирование жидкости от давления р_к до атмосферного и частичная потеря жидкости. Для исключения этого одну часть газа дросселируют до более высокого (промежуточного) давления р_пр, а другую часть - до атмосферного давления р₁.

Схема такого цикла и его изображение в диаграмме T-s приведены на рис. 25. Газ в количестве D₂ сжимается в компрессоре К1 в интервале давлений от р₁ до р_к = р_пр. В точке 2 к нему присоединяется циркулирующий поток D₁. Суммарный поток (D₁ + D₂ = 1) сжимается в компрессоре К2 до высокого давления р₂ (сжатие изотермическое). Весь поток в состоянии, соответствующем точке 3, поступает в теплообменник Т при температуре Т₃, охлаждается до температуры T₄ и дросселируется вентилем ДВ1 в сосуд С1 до промежуточного давления р_пр.

Рис. 25. Цикл с двойным дросселированием и циркуляцией части потока D1 при промежуточном давлении: а) схема; б) диаграмма T-s

После этого часть D₁ потока р_пр возвращается через теплообменник Т в компрессор К2. Другая часть D₂ дросселируется вентилем ДВ2 до давления р₁ в сосуд С2 (точки 7-8) и частично (в количестве х) ожижается, а оставшиеся пары (D₂ — х) подогреваются в теплообменнике Т и выводятся из цикла при температуре Т_1’. В сосуде С1 после первого дросселирования может образоваться парожидкостная смесь, если р_пр < р_к (рис. 25, б). Если р_пр > р_к, то изобара р_пр пройдет выше пограничной кривой и в сосуд С2 дросселируется газ. Циркулирующий при р_пр > р₁ поток D₁ обеспечивает эффективный процесс охлаждения с более высоким коэффициентом _T.

Особенность цикла состоит в том, что для него требуется два компрессора; в теплообменнике Т - два обратных потока D₁ и (D₂— х), неполнота рекуперации соответственно - ∆T_3-2' и ∆T_3-1'. Цикл - двухступенчатый. Первое дросселирование обеспечивает полезный эффект и компенсацию всех потерь в интервале температур от Т₁ до T₅, второе - в интервале температур от Т₅ до T_f. Определим коэффициент ожижения из уравнения энергетического баланса для всего цикла в целом: i₃ + q_c = D₁i_2' + (D₂ — х) i_1’ +xi_f. Преобразуем это уравнение с учетом, что D₁ = 1 — D₂. Заменив i_1’ = i₁ — c_p ∆T_3-1' и i_2’=i₂ — c_p ∆T_3-2', получим

х(i₁-i_f-c_p∆T_3-1')=i₂–i₃+D₂(i₁-i₂+c_p(∆T_3-2'-∆T_2-1'))-c_p∆T_3-2'–q_c. (91)

Отсюда можно найти количество жидкости х.

х = (∆i_T2-3+ D₂ ∆i_T1-2-(с_р∆T + q_c))/(i₁ - i_f - с_р ∆T), (92)

где ∆i_T2-3= i₂ — i₃; ∆i_T1-2= i₁ — i₂.

Сумма ∆i_T2-3+ D₂ ∆i_T1-2 несколько меньше полного дроссель-эффекта i₁-i₃ = ∆i_T1-3, что приводит к некоторому уменьшению коэффициента х по сравнению с циклом, включающим простое дросселирование. Преимущество цикла состоит лишь в уменьшении работы, затрачиваемой на сжатие в обоих компрессорах.

l₀ = RТ₁ [ln (p₂/p_пр) + D₂ ln (р_пр/p₁)]/(_изx) (93)

Уменьшение потока D₂ уменьшает работу l₀, однако произвольно уменьшать D₂ нельзя. Связь между D₂, D₁ и х можно установить из уравнения теплового баланса теплообменника.

i₃ — i₄ + q_c = D₁ (i_2' — i₆) + (D₂ — х) (i_1’ — i₉) (94)

Выражения (92), (94) и уравнение материального баланса D₁+D₂=1 позволяют определить все потоки в цикле. Цикл можно использовать и в рефрижераторном варианте; тогда его холодопроизводительность определяется числителем формулы (92). Работа l₀ зависит от потока D₂ и промежуточного давления р_пр. Оптимальное промежуточное давление для воздуха р_пр = 3  5 МПа; значение D₂ = 0,2 близко к минимально допускаемому. Двойное дросселирование примерно вдвое экономичнее простого дросселирования.

Предварительным охлаждением можно еще больше повысить экономичность цикла, его применяют в основном для водорода, который необходимо охладить до температуры ниже T_инв.