2.4.2. Холодильный цикл с дросселированием воздуха

Линдэ – 1895 г.

Схема холодильного цикла с дросселированием и его изобра­жение на диаграмме Т-s показаны на рис. 2.13. Воздух сжимает­ся компрессором 1 и проходит через холодильник 2 с проточнойводой (см. рис. 2.13,а). Затем сжатый воздух направляется в труб­ки противоточного теплообменника 3, где происходит его даль­нейшее охлаждение обратным потоком холодного газа из ожижи­теля 4. Охлажденный сжатый воздух расширяется в дроссельном вентиле 5; при этом он дополнительно охлаждается, частично сжижается и собирается в ожижителе 4, Остальная часть воздуха, оставшаяся в

газообразном состоянии, но имеющая очень низкую температуру, проходит между трубками теплообменника 3, охлаждая поступающий по трубкам сжатый воздух и сама нагреваясь. При пуске в работу холодильной установки охлаждение воздуха до температуры, соответствующей началу его сжижения, происходит не сразу, а постепенно.

Схематическое изображение постепенного процесса охлаждения воздуха на диаграмме S—Т представлено на рис. 2.14. Сжатый по изотерме АВ воздух охлаждается при дросселировании по ли­нии В—1, понижая температуру на величину ΔТ₁. Этот холодный воздух, проходя через теплооб­менник, понижает температуру поступающего навстречу сжа­того воздуха на ΔТ₁^/. Величи­на ΔТ₁^/ всегда меньше ΔТ₁ так как теплоемкость сжатого воз­духа больше, чем теплоемкость воздуха обратного потока с бо­лее низким давлением. Охлаж­денный на величину ΔТ₁^/ сжа­тый воздух из точки I дроссели­руется по линии 1—2 с пониже­нием температуры на ΔТ₂ Проходя по теплообменнику в обратном направлении, воздух понизит на ΔТ₂^/ температуру сжатого воздуха, который рас­ширяется по линии II—3 с дальнейшим понижением тем­пературы на ΔТ₃, и т. д. По­степенно сжатый воздух охла­дится в точке VIII до темпера­туры, близкой к температуреего сжижения при атмосферном давлении, и затем в процессе дрос­селирования по линии VIII—9 почти полностью превратится в жид­кость в точке 9. Отношение длин отрезков 9—С/О—С, измеренных по диаграмме S—T, выражает количество сжижившегося воздуха в долях массы.

Рассмотрим более детально по диаграмме S—Т (см. рис. 2.13, б) установившийся процесс сжижения с дросселированием. Сжатие воздуха в компрессоре с давления р₁ до давления р₂ происходит по ли­нии /—2. Теплота сжатия передается воде холодильников компрессо­ра. Принимается, что воздух после концевого холодильника (2) имеет ту же тем­пературу, что и до сжатия в точке 1, поэтому можно считать, что сжатие воздуха происходит по изотерме 1—2. Из точ­ки 2 воздух, сжатый до давления р₂, проходит теплообменник, где его температура при постоянном давлении р₂ понижается до точки 3, процесс дросселирования происходит, как указывалось, при постоян­ной энтальпии, т. е. по линии 3—4 Дроссели­рование заканчивается в точке 4, лежащей на линии 0—5. Отрезок 4—5 дает возможность определить количество жидкости, в процентах от мас­сы перерабатываемого воздуха.

Изобара 5—1 соответствует процессу нагревания в теплообмен­нике воздуха, уходящего из установки.

Составим тепловой баланс обведенной части цикла для 1 кг воздуха, предположив, что потери холода от­сутствуют. Обозначим:

х — доля сжиженного воздуха; i_о — энтальпия жидкого воздуха,; (i₁ и i₂ — энтальпии воздуха при абсолютном давлении р₁ и р₂ и температуре Т₁

х_о – доля ожиженного воздуха,без учета теплопотерь

– количество тепла, которое нужно отвести, чтобы ожижить 1 кг воздуха;

– количество тепла, которое нужно отвести, чтобы ожижить х кг воздуха;

– теоретическая холодопроизводительность данного цикла, за счет которого ожижилось х кг воздуха.

В действительности будут потери холода, прежде всего обратный поток не догреется до точки 1 . Только до точки 1’ (потери от недорекуперации). За счет этого жидкости получится меньше, кроме того будут потери холода через теплоизоляцию.

– холодопроизводительность без потерь

теоретическое количество сжиженного воздуха

действительная холодопроизводительность

– потери тепла от недорекуперации

q₁ – теплопритоки; зависят от:

- качества изоляции;

- производительности установки.

–при проектировании установки задается в зависимости от мощности

Работа компрессора:

l_из – изотермическая работа компрессора

– в паспорте.

Pv=RT

≤ 5÷7%

Источник основных потерь – неэффективная система расширения (необратимый процесс в дросселе). Процесс расширения делаем обратимым → поставим расширительную машину (турбину).

Линии i=const идут веером, если линия i=const совпадет с изотермой (горизонтальная прямая) (например, у водорода), то эта температура – температура инверсии (температура, при которой дифференциальный дроссельный эффект равен нулю).

Если t_{инверсии}>t_о.с → получим холод при дросселировании, если t_{инверсии}<t_о.с → газ нагреется (если хотим получить холод, то предварительно надо охладить газ ниже t_{инверсии} ).

Виды детандеров и их конструкции.

Детандер – машина для расширения воздуха с отдачей внешней работы (расширение по адиабате или близко к ней).

По конструкции:

- поршневые (при степени расширения 5÷200 и Q=50÷300 м³/ч);

- турбодетандеры (степень расширения <30 и Q>3000 м³/ч).

Поршневой детандер.

V_м.о – мертвый объем, т.к поршень неплотно подходит к клапанам.

1-2 – впуск сжатого воздуха; в т.2 клапан закрывается;

2-3 – расширение газа в цилиндре (Р, Т ↓); в т.3 открывается выпускной клапан и воздух начинает выходить из цилиндра до т.4;

дойдя до т.4, поршень вследствие инерции маховика детандера начинает двигаться в обратном направлении, выталкивая расширившийся и охлажденный воздух в трубопровод (процесс 4-5’);

в т.5’ выпускной клапан закрывается;

5’-6 – сжатие оставшегося в цилиндре воздуха;

в т.6 открывается впускной клапан;

6-1 – впуск воздуха.

l_дет→N_эл: в качестве потребителей энергии в детандерах используют Асинхронный Двигатель, работающей в режиме генератора. Опасность – в отключении эл. энергии, т.к АД идет в разнос (скорость увеличивается), поэтому все детандеры оснащены аварийными механическими тормозами.

Турбодетандеры.

Сжатый газ под давлением Р₀ поступает в каналы неподвижного направляющего аппарата (НА), где расширяется до некоторого промежуточного давления Р₁. Выходя из НА с большой скоростью, струя газа поступает на лопатки рабочего колеса (РК) и вращает его вместе с валом. Здесь представлен активный детандер, в котором газ из колеса выходит без закрутки и не ускоряет колесо за счет реактивной силы.

Лопатки колеса активно-реактивного турбодетандера образуют длинные изогнутые каналы, идущие от окружности колеса и расширяющиеся к центру. Газ, проходящий по каналам РК, продолжает расширяться в них до конечного давления Р₃, производя при этом дополнительную работу, которая передается колесу давлением движущегося газа на лопатки РК.

В активно-реактивных турбодетандерах только часть энергии сжатого газа передается колесу в форме скоростного напора. Остальная часть энергии используется в виде реакции струй газа, расширяющихся в РК. Фактически такие детандеры радиально-осевые, поскольку реактивная закрутка потока осуществляется в осевом направлении потока.

Пример такого детандера с гидротормозом приведен на рисунке ниже.

Детандер усиливает охлаждение проходящего через него газа по сравнению с дросселированием на величину отведенной работы, которую можно и нужно использовать.

Детандер, как и любая турбина, не может работать в области влажного пара.

В качестве устройства использующего мощность, вырабатываемую за счет расширения воздуха, могут быть:

1. электрогенератор с редуктором, поскольку детандер обычно вращается со скоростью выше 3000 об/мин,

2. гидротормоз (для небольших турбодетандеров, поскольку выработанная мощность теряется)

3. в самых современных конструкциях - компрессор, дожимающий воздух, направляющийся в сам детандер до повышенного давления

Цикл высокого давления с детандером.

Клод – 1900 г.

Схема цикла высокого давления с детандером и диаграмма S—T для него представлены на рис. 2.19. Воздух сжимается до абсолютного давления 180—200 кгс/см² в компрессоре 1 и, прой­дя через водяной холодильник 2, распределяется на две примерно равные части (см. рис. 2.19,а). Одна часть (М) направляется в де­тандер 3, расширяется в нем до абсолютного давления 1 кгс/см² и, охладившись, направляется в основной теплообменник 4, по ко­торому проходит обратным потоком, охлаждая вторую часть сжа­того воздуха (1—М), поступающего из компрессора. Эта часть воздуха после теплообменника 4 поступает в дополнительный теп­лообменник 5, где охлаждается дросселированным воздухом,

и подводится к дроссельному вентилю 6, пройдя который, частично сжижается и собирается в сосуде 7. Из сосуда 7 жидкий воздух я количестве х кг выводится через вентиль 8. Несжижившийся воз­дух в количестве 1—М—х кг направляется обратно в теплообмен­ники 5 и 4, где охлаждает поступающий через них сжатый воздух. Через теплообменник 5 обратным потоком проходит воздух в ко­личестве (1—М—х-\-М) => (1-х) кг.

В рассматриваемом цикле также существует наивыгоднейшее соотношение между количеством воздуха, идущего в детандер, и давлением сжатия. При абсолютном давлении 200 кгс/см² наи­меньший расход.энергии на 1 кг жидкого воздуха получается при­мерно при М=0,5, т. е. когда в детандер поступает 50% подаваемо­го компрессором воздуха, а другая половина расширяется в дрос­сельном вентиле.

К – компрессор.

Воздух сжимается в компрессоре 1 (1-2) и распределяется на две примерно равные части. Одна часть (1-М) направляется в детандер 3, расширяется в нем до давления Р₁ и, охладившись, направляется в теплообменник 4, по которому проходит обратным потоком, охлаждая вторую часть сжатого воздуха (М), поступающего из компрессора.

Эта часть воздуха после теплообменника 4 поступает в дополнительный теплообменник 5, где охлаждается дросселированным воздухом, и подводится к дроссельному вентилю 6, пройдя который частично сжижается и собирается в сосуде. Из сосуда жидкий воздух в количестве х кг выводится через вентиль. Несжижившийся воздух в количестве (М-х) кг направляется обратно в теплообменники 5 и 4, где охлаждает поступающий через них сжатый воздух.

Через теплообменник 4 обратным потоком проходит воздух в количестве:

(М-х+1-М)=(1-х) кг

1)

если М=0, то х_д=max – это значит весь пар ушел в детандер – это неверно.

Баланс теплообменника Т-1:

2)

→ в 1) и находим х_д и М

если работа не используется, то ;

если работа используется, то

Работа на ожижение 1 кг газа:

Чем ниже температура на выходе из детандера, тем больше доля газа (1-М) и выше х_д и η.

С точки зрения эффективности, нужно понижать температуру как можно ниже. Лучше, если на выходе из детандера будет сухой насыщенный пар.

Если давление сжатия не очень высокое (50÷60 ата), то выгоднее разделить при более низкой температуре.

Цикл низкого давления с детандером.

Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетан-дере (цикл Капицы). Холодильный цикл, разработанный акад. П. Л. Капицей в 1939 г., основан на применении воздуха низкого давления и получении необходимого холода только за счет расширения этого воз-ду­ха в воздушной турбине (так называемом турбодетанде-ре) с производством внешней работы. Схема холо­дильного цикла Капицы и диаграмма S—T цикла даны на рис. 2.20. Воздух (см. рис. 2.20, а) сжимается до абсолютного давления p₂ = Q—7 кгс/см² (5,9—6,9-10⁵ н/м²) в турбокомпрессоре /, охлаж­дается водой в холодильнике 2 и поступает в регенераторы (теплообменники)* 3, где охлаждается обратным потоком холодного воз­духа. Основная часть воздуха (около 95%) после регенераторов направляется в турбодетандер 4, расширяется в нем до начального абсолютного давления pi=l кгс/см² 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%), поступающую 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.

На диаграмме S—T этого цикла (см. рис. 2.20,6) изотермиче­ское сжатие воздуха до абсолютного давления р₂ = 6—7 кгс/см² изображается горизонтальной линией 1—2, а охлаждение в реге­нераторах до состояния 3— изобарой 2—3, соответствующей дав­лению рг- По линии 3—4 происходит расширение воздуха в тур­бодетандере до абсолютного давления р\ — \ кгс/см², причем линия 3—4' соответствует адиабатическому процессу расширения, а ли­ния 3—4 — действительному. Конденсация оставшейся части возду­ха, не проходившей через турбодетандер, протекает по липни 3—5—6. Линия постоянной энтальпии 6—7 соответствует процессу дросселирования воздуха, сжиженного в конденсаторе. Образую­щиеся при дросселировании пары жидкого 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 Т\ по линии 7—4—/ постоянного давления Р\.-

Р=6÷7 ата

Все установки высокой производительности работают по этому циклу, т.к:

- в этом цикле можно использовать турбомашины: турбокомпрессор и турбодетандер;

- возможность использования регенеративных ТА.

В теплообменнике 3 идет охлаждение до т.3 (выбирается таким образом, чтобы действительный процесс расширения попал после детандера в т.4 сухой насыщенный пар).

Идет разделение потока М (очень мал) и (1-М). Расширившийся поток после детандера → в теплообменник, а небольшой поток М конденсируется и превращается в жидкость т.6. Затем эта жидкость с Р=5÷6 ата дросселируется и попадает в т.7; часть пара идет в т.4, а часть жидкости удаляется. Затем этот обратный поток нагревается до т.3’, затем до т.1.

„+” и „–” цикла с турбодетандером.

„+” турбодетандера перед поршневым детандером:

1. нет трущихся элементов → нет необходимости смазки в холодных частях машины;

2. нет клапанов;

3. компактность, непрерывное действие, высокая скорость прохождения газа;

4. малые удельные холодопотери в окружающую среду.

- высокий КПД турбомашин;

- получение больших количеств жидкого воздуха (бóльшая производительность);

- упрощается технологическая схема;

- облегчается обслуживание;

- повышается надежность работы и взрывобезопасность установки.

→ уменьшается себестоимость кислорода.

Конструкции регенеративных теплообменных аппаратов, используемых в кислородных установках.

Регенеративный теплообменный аппарат – вертикальный сосуд с эллиптическими днищами, заполненный насадкой. Служит для передачи тепла от поступающего в воздухоразделительный аппарат воздуха продуктам его разделения, выходящим из аппарата и для очистки проходящего воздуха от влаги и СО₂ вымораживанием их на насадке.

Применяют регенераторы двух типов:

1) с насадкой из алюминиевой гофрированной ленты;

2) с каменной насадкой из дробленого базальта.

1) Гофры лент направлены в противоположные стороны, вследствие чего образуется большое число извилистых каналов → увеличивается площадь поверхности контакта с потоками газа.

Q=kFΔt

f_уд≈2000 м²/м³

2) Насыпная насадка из кусков базальта размером 4÷10 мм. Поверхность теплообмена меньше, чем для алюминиевой насадки. Используется только когда регенератор многопоточный. В толще насыпной насадки можно размещать змеевики.

f_уд≈1000 м²/м³

Цикл ожижения и разделения воздуха будет тем эффективнее, чем меньше необратимость процессов, протекающих в установке. Если мы хотим иметь эффективный цикл, мы должны уменьшить необратимость процесса теплообмена, а это связано с большими перепадами температуры.

Тепловой баланс рекуператора:

Q=M_вС_в(t₁-t₃)

Кроме функции охлаждения воздуха регенератор осуществляет осушку и очистку воздуха от СО₂.

При t≈-60^оС – влага высаживается на насадке в виде инея и снега; до -120^оС – остатки влаги высаживаются в виде льда, а ниже -120^оС – образуется сухой лед из СО₂.

Регенератор обратным потоком будет очищаться тем быстрее, чем теплее обратный поток.

Если обратный поток имеет температуру не ниже, чем Т_прям на 5÷7%, то обратный поток унесет СО₂, если разность будет больше, то самоочистки не будет. Если не принять никаких мер, и соотношение прямого и обратного потоков в регенераторе будет 1, то основная масса СО₂ задержится на нижнем участке насадки и она не будет самоочищаться от СО₂ → в конечном счете регенератор остановит свою работу.

С этим борются за счет небалансирующихся потоков:

1) часть воздуха ввести в блок разделения помимо регенераторов ≈3÷4% (освобождение от СО₂ раствором щелочи в скрубберах, затем охлаждение);

2) отбор части воздуха из середины регенераторов, когда воздух не содержит влаги и в нем присутствует только СО₂, с последующим ее удалением путем поглощения селикогелем в адсорберах или вымораживания в переключаемых теплообменниках;

3) применение тройного дутья или способ с петлевым потоком;

4) часть воздуха после холодного конца регенератора вновь направляется в регенератор для дополнительного охлаждения поступающего воздуха прямого потока.

Специфические конструкции теплообменных аппаратов блоков разделения кислородных установок.

Причины использования:

1. низкий уровень температур;

2. использование многопоточных ТА;

3. необходимость достаточно большой поверхности при ограниченном объеме;

4. должны быть противоточные.

Витые ТА.

В витом ТА за счет того, что трубка немного согнута коэффициент теплоотдачи при прочих равных условиях будет больше, чем у прямых трубок. Повышается турбулизация потока: α↑ → k↑ → F↓.

f_уд≈500 м²/м³

Пластинчато- ребристые ТА.

Пластинчатый ТА представляет собой пакет из большого числа спаянных параллельно расположенных плоских и гофрированных тонких пластин.

f_уд≈2000 м²/м³

Пластинчато-ребристые тепло­обменники изготовляются главным образом из алюминия. Эти аппараты могут выдерживать значительные давления до 3,0—4,0 МН/м² и в отдельных случаях до 7,0 МН/м². Слож­ная геометрическая форма коллекторов в значительной степени ограни­чивает допускаемую величину давления; коллекторы соединяются с кор­пусом пакета сваркой. В пластинчатых теплообменниках важно обеспе­чить равномерность распределения потоков по каналам, иначе это при­водит к возрастанию недорекуперации. Наиболее часто применяют сле­дующие размеры насадки: толщина ребер 6 = 0,15->0,3 мм; шаг между ребрами & = 1,5->2,5 мм, высота ребер / = 4-^-10 мм.

Пластинчато-ребристые аппараты обладают большой компактно­стью. Величина удельной поверхности составляет 1000—2000 м²/м³.

В современных схемах воздухоразделительных установок большой производительности с низким давлением сжатия используются такие теплообменники. Ранее использовались регенераторы. Установки с регенераторами еще достаточно распространены.

Технологические схемы воздухоразделительных установок

Любая воздухоразделительная установка состоит из ряда блоков:

1. Ф –воздушного фильтра для улавливания пыли

2. К – компрессора для сжатия воздуха

3. Бпо – блока предварительного охлаждения для конденсации основного количества водяных паров

4. БКО – блок комплексной очистки воздуха для полной осушки и улавливания СО² и углеводородов

5. Блок разделения воздуха

6. Д – детандерный блок для производства холода, необходимого для поддержания низкой температуры внутри блока и производства жидких продуктов разделения

Схема установки К-0,04 показана на рис. 125.

Атмосферный воздух, засасываемый компрессором, проходит воз­душный фильтр, в котором очищается от твердых примесей и поступает в I ступень компрессора. После прохождения I и II ступеней компрес­сора воздух, сжатый до давления 1,4—1,6 МН/м² (14—16 ат), направ­ляется в декарбонизатор, в котором очищается от двуокиси углерода. Затем воздух последовательно проходит III и IV 'ступени компрессора, в которых сжимается до давления 10—11,5 Мн/м² (100—115 ат) в ра­бочий период и до 20 Мн/м² (200 ат) в пусковой, а затем после охлаж­дения в концевом холодильнике поступает в блок осушки. Осушенный воздух подают в блок разделения, где он разделяется на азот и сжа­тый кислород. Часть азота, выходящего из аппарата, используют для регенерации адсорбента в блоке осушки, для чего его пропускают через нагревательную электропечь. Остальной азот выводят в атмосферу. Выходящий сжатый кислород подают в баллоны через рампу. Для отогрева фильтра СО₂ и адсорбера ацетилена, а также и всего аппа­рата служит подогреватель воздуха.

Схема блока разделения приведена на Рис.123. Осушенный и очищенный от углекислого газа сжатый воздух поступает в теплообменник 3, в котором охлаждается отходящими из колонны 2 кислородом и газообразным азотом. После охлаждения в теплообмен­нике воздух поступает в колонну двукратной ректификации со змееви­ком в кубе нижней колонны. Жидкость испарителя очищают от твердой двуокиси угледода в фильтре из пористого металла 4, расположенном перед адсорбером ацетилена 5, в котором происходит поглощение ацетилена¹. Во время отогрева фильтра и адсорбера жидкость испарителя пропускают через обводную линию с резервным дроссельным вентилем -10. Жидкий кис­лород отбирают из кармана под нижней тарелкой верхней колонны и через охладитель 6, в котором он охлаждается азотом на 6—8 град,. поступает в насос 1. Если жидкий кислород отбирать из межтрубного пространства конденсатора-испарителя, то в нем будет больше углеводородов. Жидкий кислород высокого давления подвергает­ся очистке от графитовой пыли в фильтре 7 и через теплообменник 3, в котором происходит его испарение и нагрев, выводится из аппарата. Газообразный азот, выходящий из колонны, проходит через охладитель,, охлаждающую рубашку насоса и выходит в атмосферу через теплооб­менник. Кислород, просочившийся через сальник насоса, отводится через фильтр 5, служащий для отделения частиц графита (При использовании насосов со щелевым уплотнением необходимость в фильтрах отпадает) и обратный кла­пан 9 в конденсатор. Таким путем потери кислорода с утечками через сальник насоса полностью устраняются.

В данной схеме давление сжатия воздуха ниже, чем в предыдущей. Затраты работы на сжатие (до 7 МПа) меньше, но и холода за счет дросселирования производится меньше и его не хватает на компенсацию холодопотерь, поэтому приходится часть воздуха после предварительного охлаждения в основном теплообменнике расширять в детандере 13. При этом получается дополнительный холод. Несколько иначе организована и очистка воздуха от СО2. Вместо декарбонизатора здесь установлены два скруббера 4. Это сложнее, но степень использования щелочи при этом повышается за счет организации противоточного движения воздуха и щелочи. Но для этого требуются циркуляционные насосы щелочи, которых не было в декарбонизаторах. В остальном, схема аналогична предыдущей.