3. Циклы криогенных установок

В криогенной технике используют разнообразные циклы криогенных установок. Они

классифицируются по различным принципам. В соответствии с этим можно выделить

основные циклы криогенных установок:

1. Простые и сложные дроссельные циклы

2. Простые и сложные детандерные циклы

3. Комбинированные циклы

4. Газовые циклы

Для описания энергетических характеристик этих циклов пользуются различными величинами: холодопроизводительность, работа, холодильный коэффициент и коэффициент ожижения.

3.1. Цикл с однократным дросселированием

1. Цикл без регенерации

Рассмотрим цикл с однократным дросселированием без регенерации, т.е. будем полагать, что дросселируется сжатый газ от температуры окружающей среды внутри кривой инверсии (при этом будет наблюдаться охлаждение). На рисунке 3.1 дано изображение рассматриваемого цикла: 1 – 2 - изотермическое сжатие; 2 – 3 - дросселирование; 3 – 1 –

изобарный нагрев. В действительности процесс 1 – 2 – это совокупность двух процессов: 1 – 2* - адиабатное сжатие и 2* - 2 – изобарное охлаждение. В реальных установках используется многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением.

Для рассматриваемого цикла величина холодопроизводительности q₀ записывается в виде

q₀ = i₁ – i₂ = i_T (3.1)

Холодопроизводительность цикла с однократным дросселированием без регенерации определяется величиной интегрального изотермического дроссель-эффекта.

Из рассмотрения цикла видно, что параметры лишь двух точек 1 и 2 определяют энергетические характеристики цикла. Точка 1 чаще всего определяется параметрами окружающей среды и поэтому является как бы фиксированной. Таким образом,фактически, лишь положением точки 2 определяются энергетические характеристики цикла. Положение точки 2, в свою очередь, определяется Т _окр.ср. и давлением Р₂. Следовательно, лишь одна величина -давление сжатия Р₂ влияет на энергетические характерис тики цикла .

Рис. 3.1. Цикл с однократным дросселирование без регенерации

При заданной температуре Т окр.ср. максимальное давление, при котором холодопроизводительность цикла будет максимальной, соответствует давлению инверсии Ринв., которое определяется изобарой, проходящей через точку касания изоэнтальпы и изотермы окружающей среды. Например, для воздуха при Т окр.ср. = 300 К значение Ринв. = 400 бар. На приводимом рисунке видно, что с ростом давления сжатия Р₂ холодопроизводительность цикла возрастает, если давление сжатия, разумеется, не превышает давления инверсии.

Таким образом, в рассматриваемом цикле холодопроизводительность растёт с ростом давления сжатия Р₂ до тех пор, пока оно не превышает давления инверсии Р_инв.

Для криогенных веществ, у которых максимальная температура инверсии меньше температуры окружающей среды (например, для гелия, неона, водорода) невозможно получить холод в цикле с однократным дросселированием, т.к. при дросселировании от температуры окружающей среды будет наблюдаться нагрев, а не охлаждение.

Если в качестве рабочего тела для этого цикла использовать идеальный газ, то холодопроизводительность q₀ = 0 ( точка 3 совпадает с точкой 1). Напомним, что для идеального газа _i = 0, а следовательно, _T = 0 и i_T = 0.

Выражения для работы и холодильного коэффициента имеют вид

(3.2 )

Вместо точного выражения для работы, приведенного выше,часто используют приближенное выражение, полагая, что сжимаемый газ при температуре окружающей среды следует законам идеального газа

l = R T_окр.ср. ln (P₂/P₁) ( 3.3 )

Ошибка, возникающая при этом, например, для воздуха составляет около 10%, если

Р2 = 200 бар.

C ростом Р2 увеличивается холодопроизводительность q0 и работа цикла l. Вблизи кривой инверсии, однако, рост холодопроизводительности q0 замедляется . Работа цикла l c ростом Р2 увеличивается . Анализ показывает, что максимум холодильного коэффициента лежит при давлении более низком, чем давление, соответствующее максимуму холодопроизводительности. Рассмотрим влияние регенерации на энергетические характеристики цикла с однократным дросселированием.