Результаты расчетов теоретического цикла ожижения газа с простым дросселированием

Ожижаемый газ	кДж/кг	i1 – i0, кДж/кг	хТ, кг ж.г./кг п. г.	кВт·ч/кг ж. г.
Воздух	34,7	423,15	0,0820	1,546
Метан	178,8	914,63	0,1955	1,171

Из данных, приведенных в табл. 1.3.1, видно, что эффективность использования простого дроссельного цикла для ожижения метана существенно выше, чем при его использовании для ожижения воздуха. Для теоретического цикла коэффициент ожижения х_Тдляметана составляет почти 20 % от количества метана, поступающего вустановку, работающую по этому циклу.

Известно, что эффективность данного цикла может быть существенно повышена за счет предварительного снижения температуры газа, поступающего в дроссельную ступень. Обычно это достигается путем включения в дроссельный цикл ожижения дополнительной ступени охлаждения в виде ступени с внешним источником охлаждения. При ожижении воздуха и метана обычно в ступени с внешним источником охлаждения в качестве последнего используется холодильная машина.

Принципиальная схема такого двухступенчатого цикла и его изображение в S–T-диаграмме показаны на рис. 1.3.3.

Метан, сжатый в компрессоре К от давления Р₁до давленияР₂при температуреТ₁, поступает в предварительный теплообменник ТО1, где охлаждается до температурыТ₃.

Далее в теплообменнике ТО2, который является испарителем холодильной машины, он охлаждается до температуры Т₄. Окончательное охлаждение сжатого потока метана происходит в теплообменнике ТО3 концевой дроссельной ступени.

Рис. 1.3.3. Принципиальная схема установки ожижения метана, работающей по простому дроссельному циклу с предварительным охлаждением (а), и изображение цикла в S–T-диаграмме (б): К – компрессор; ТО1, ТО2, ТО3 – теплообменники; ДВ – дроссельный вентиль; ОЖ – отделитель жидкости

По выходе из теплообменника ТО3 с температурой Т₅сжатый метан поступает на дроссельный вентиль ДВ, при прохождении через который давление потока метана снижается до величиныР₁и образовавшаяся после ДВ парожидкостная смесь поступает в отделитель жидкости ОЖ. Жидкая фаза в количествехкг отводится из ОЖ вкачестве целевого продукта, а неожиженный поток в количестве (1 – х) кгиспользуется в виде обратного потока для охлаждения сжатого метана в теплообменниках ТО3 и ТО1. По выходе из теплообменника ТО1 этот поток поступает на сжатие в компрессор К, где для обеспечения сжатия 1 кг метана подается на всасывание дополнительнохкг газообразного метана.

В теплообменник ТО2 для охлаждения сжатого метана подается поток жидкого хладагента из холодильной машины, который кипит, охлаждая поток сжатого метана, проходящего через теплообменник ТО2, а образовавшиеся пары поступают на сжатие и конденсацию в холодильную машину.

Как и в предыдущем цикле, доля ожиженного метана хкг может быть определена из энергетического баланса концевой дроссельной ступени. Однако в этом случае температура верхнего температурного уровня сжатого метана, поступающего в дроссельную ступень, будетсущественно ниже и определяется значением температуры Т_х. Тогда в соответствии с обозначениями узловых точек цикла, показанных на рис. 1.3.3, уравнение энергетического баланса ступени для теоретического цикла запишем в виде

, (1.3.11)

откуда

, (1.3.12)

где i₈–i₄– изотермический перепад энтальпии при температуреТ_х, который характеризует холодопроизводительность ступени;i₈–i₀– разность энтальпий, равная количеству холода, которое необходимо для ожижения 1 кг метана приР=Р₁.

В связи с тем, что величина i_Тпри одних и тех же значениях давленийР₁иР₂возрастает с понижением температуры изотермического сжатия, а одновременно с этим уменьшается величина разности энтальпийi₈–i₀, снижение температурыТ_х, в соответствии с уравнением (1.3.12), приведет к ростух_Т.

Это подтверждается и данными, приведенными на рис. 1.3.4, где дана зависимость х_T от изменения температурыТ_хпри изменении давления в диапазоне отР₁ = 0,1 МПа доР₂ = 20 МПа.

Рис. 1.3.4. Зависимость х_T для метана от изменения температуры T_х

Из рис. 1.3.4 видно, что понижение температуры Т_х, определяющей верхний температурный уровень концевой дроссельной ступени, с 280 до 220 К позволяет увеличить потокх_Тпочти в 1,8 раза.

В этой связи представляет интерес сравнение х_Т и l_Т, полученных для двух теоретических циклов: простого дросселирования и простого дросселирования с внешним источником охлаждения при T₁ = 300 К и Т_х = 223 К (–50 °С) для значений Р₁ = 0,1 МПа и Р₂ = 20,0 МПа; q_c = 0; ΔТ₁ = Т₁ – = 0 и ΔТ₂ = Т₈ – = 0 для ожижения метана и воздуха.

Сопоставление этих величин приведено в табл. 1.3.1, 1.3.2.

Таблица 1.3.2