24.2. Цикл Линде с дополнительным охлаждением сжатого воздуха.

Одним из методов снижения разности температур на холодном конце теплообменника является введение дополнительного охлаждения сжатого воздуха, предложенное и разработанное Линде.

В схеме такого процесса теплообменник разделен на две части. В предварительном теплообменнике Т_п воздух охлаждается с Т₂ до Т₈, после чего поступает в испаритель холодильной установки (Х.У.), где охлаждается до Т₉. Благодаря дополнительному охлаждению разность температур после Х.У. между воздухом низкого и повышенного давления уменьшается  до 5⁰С. При дальнейшем охлаждении в основном теплообменнике сжатый воздух достигает температуры Т₃.

Из диаграммы видно, что разность температур на холодном конце теплообменника Т_3-6 значительно меньше аналогичной разности Т₃¹_-6 без дополнительного охлаждения.

Составим энергетический баланс для замкнутого контура, ограниченного штриховой линией:

,

где

q_x – количество теплоты, отводимой от воздуха в испарителе холодильной установки на 1 кг ожиженного воздуха;

q_из – теплоприток через изоляцию.

После преобразования имеем:

Из уравнения для у видно, что при введении дополнительного охлаждения величина у возрастает.

Тема 25. Цикл Клода (среднего давления, Р=2-4 МПа)

Способ ожижения воздуха, разработанный Ж.Клодом (1902 г.) основан на использовании одновременно с дросселированием расширения воздуха в детандере.

Детандером называется машина, предназначенная для расширения газа с отдачей работы в окружающую среду.

Применив детандер вместо дросселя, можно получить существенно более низкую при прочих равных условиях температуру, чем в случае дросселирования. Однако этот теоретически весьма эффективный и простой способ понижения температуры оказалось очень непросто реализовать на практике.

По поводу перспектив использования схемы с детандером профессор К.Линде писал: «Практическое осуществление этого процесса (теоретически неоспоримого) является сомнительным по следующим причинам. Предположим, что в этом процессе был бы применен атмосферный воздух при той же температуре, которая нужна для его сжижения; при этой температуре все вещества, содержащиеся в воздухе в качестве примесей: вода, СО₂ и пр., так же, как и остатки применяемых смазывающих материалов, перешли бы в твердое состояние. В этих условиях стала бы невозможной работа цилиндра расширения и его распределительных механизмов. Те лица, которым приходилось работать при таких низких температурах, знают по опыту, насколько трудно в этих условиях управление даже простым вентилем. Вместе с тем, было бы чрезвычайно трудно или даже невозможно защитить с необходимой для этих низких температур тщательностью как сам цилиндр расширения, так и его механизмы от влияния внешнего тепла, и, следовательно, этот способ совершенно непригоден для достижения этих низких температур».

Не прошло и 6 лет после такого категоричного высказывания, как воздух стали ожижать в промышленных масштабах в установках с использованием детандера.

Клоду удалось достаточно полно очистить воздух от примесей воды и СО₂. Оказалось также, что поршень в цилиндре можно эффективно уплотнять с помощью специальных манжет из обезжиренной кожи, которая при низких температурах не затвердевает и не требует смазки. Теплоприток из окружающей среды оказался не столь существенным, как предполагалось, и не мог решающим образом повлиять на эффективность детандера.

Рассмотрим процесс расширения воздуха в детандере на T-S диаграмме (рис.25.1.)

Предположим, что давление газа перед расширением в точке 7 равно Р₂, а температура – Т₇. Если бы расширение газа в детандере происходило без потерь при постоянной энтропии, то конечная точка 8¹ процесса находилась бы на пересечении линии постоянной энтропии и изобары Р₀, т.е. в идеальном случае S₇ = S₈¹

Величина энтальпии в процессе расширения в детандере уменьшается на

количество произведенной работы - холодопроизводительность идеального детандера

В действительности, вследствие трения и притока теплоты извне энтропия в конце процесса расширения возрастает (S₈ › S₇), величина i_д уменьшается, кривая, изображающая процесс, отклонится вправо от адиабаты, и конечное состояние воздуха будет характеризоваться точкой 8. Конечная температура расширения Т₈ выше Т₈¹.

Эффективность детандера определяют адиабатным к.п.д., который представляет собой отношение действительной разности энтальпий газа на входе в детандер и на выходе из него и их разности при изоэнтропном расширении

.

Чем больше _ад данного детандера, тем больше охлаждение воздуха. Величина _ад современных детандеров находится в пределах 0,650,85.

Охлаждение воздуха в результате его расширения в детандере значительно больше, чем при дросселировании. На T-S диаграмме температура Т₈ значительно ниже Т₄.

Для начального давления от 20 до 1,2 МПа и небольших количеств газа применяют детандеры поршневого типа, для давления 1,2 – 0,4 МПа и больших количеств газа применяют турбодетандеры.

Рассмотрим процесс ожижения воздуха с использованием детандера (рис.25.2.).

Сжатый воздух после компрессора и холодильника в состоянии точки 2 поступает в предварительный теплообменник I, в котором охлаждается до температуры Т₇ и разделяется на два потока. Газ в количестве М кг (20-30%) проходит через теплообменник II, ожижитель III и после охлаждения до температуры Т₃ дросселируется до давления 0,1 МПа (1 атм). После дросселирования жидкость отделяется в отделителе жидкости ОЖ и выводится из него в состоянии, характеризуемом точкой 5, в количестве у, а пары в состоянии, характеризуемом точкой 6, поступают сначала в ожижитель III, а затем в теплообменник II и I. Расширенный воздух нагревается до Т₁₁, охлаждая при этом сжатый воздух.

Второй поток воздуха в количестве (1-М) (порядка 70-80%) поступает из теплообменника I в детандер IV, где расширяется также до 0,1 МПа, совершая внешнюю работу. Охлажденный в детандере до температуры Т₈ воздух присоединяется к обратному потоку в точке 8, где температура воздуха также равна Т₈.

Таким образом, в процессе Клода, как и в процессе Линде с предварительным охлаждением, имеется дополнительное охлаждающее устройство.

Отличие состоит в том, что охлаждению подвергается лишь часть воздуха и не используется холодильный цикл с другим рабочим телом. Охлаждение достигается сжатым воздухом.

Составим энергетический баланс для части установки, ограниченной штриховой линией

откуда

Полученное уравнение аналогично такому же для процесса Линде. Оно отличается членом (1-М)(i₇ - i₈), обусловленным работой детандера.

Величину (i₇ - i₈) = i_д называют холодопроизводительностью детандера.

Вводя в формулу те же обозначения, которые были использованы при анализе цикла Линде, получим:

Формула позволяет установить, какое влияние на процесс ожижения оказывает введение в систему детандера. Та часть процесса охлаждения воздуха, которая связана с дроссель-эффектом, учитывается членом i_Т. Дополнительное охлаждение, обусловленное внешней работой, определяется величиной i_д, относящейся к части воздуха (1-М), который проходит через детандер. Выражение (1-М)i_д входит в числитель формулы, следовательно, введение детандера позволяет увеличить долю ожиженного воздуха у.

Когда часть воздуха, направляемая в детандер, равна нулю, цикл Клода переходит в цикл Линде и изменение температур воздуха в теплообменнике соответствует линиям 2-3¹ и 6 - 11.

Отвод части сжатого воздуха в детандер приводит к тому, что воздух, значительно охлажденный при расширении в детандере, производит в теплообменнике II дополнительное охлаждение сжатого воздуха, поступающего на дросселирование.

Увеличение доли воздуха (1-М), поступающего в детандер, приводит к возрастанию выхода у, но до определенного предела.

В результате увеличивается доля ожиженного после дросселирования воздуха (т. 3 диаграммы в сравнении с т. 3¹), а количество газообразного воздуха М, попадающее в обратный поток, уменьшается.

Однако при уменьшении М снижение температуры сжатого воздуха в теплообменнике II и ожижителе III может происходить до тех пор, пока в какой-либо точке температура не сравняется с температурой воздуха обратного потока, т.к. последний может охлаждать сжатый воздух и нагреваться сам только в том случае, если между ними существует разность температур. Как только на каком-то участке теплообменника разность температур становится равной нулю, теплообмен прекращается. Поэтому долю воздуха, подаваемого в детандер, принимают возможно большей, но такой, чтобы наименьшая разность температур не превышала 3-5 град. В этом случае значение у будет наибольшим.

При малом значении М воздух обратного потока будет недостаточно нагрет, что приведет к увеличению Т_2-11; потери от недорекуперации i_н возрастут настолько, что перекроют возрастание i_д(1-М).

Поэтому увеличение доли воздуха, направляемого в детандер, возможно до определенного предела, после которого увеличение (1-М) приводит к уменьшению величины у.

Для процессов с применением детандера важное значение имеет соответствие между давлением сжатого воздуха и температурой перед детандером. Расчеты показывают, что для различных давлений существует наивыгоднейшая температура входа воздуха в детандер Т₇, при которой можно отвести на расширение наибольшее количество воздуха и получить максимальное значение у.

Известен график зависимости Т₇=f(1-М), составленный Г.Хаузеном, на котором нанесены оптимальные температуры воздуха перед детандером при различных давлениях в зависимости от величины (1-М). При этих температурах и соответствующих им количествах детандерного воздуха выход жидкого воздуха будет наибольшим при наименьшем удельном расходе энергии.

Из диаграммы (рис.25.3.) видно, что чем ниже температура Т₇, тем больше воздуха при данном давлении можно отвести в детандер.

В действительности при низких температурах входа Т₇ расширение газа в поршневом детандере приводит к увеличению потерь и, следовательно, к уменьшению у.

В результате, несмотря на то, что (1-М) увеличивается, общая величина (1-М) i_д при слишком низкой температуре Т₇ снижается. Поэтому в каждом случае есть такая величина (1-М), несколько меньше максимальной, при которой выход жидкого воздуха у наибольший. Точки каждой изобары, соответствующие этому условию, соединены штриховой линией А-В. Кривая А-В показывает, что при повышении давления величина (1-М), при которой у достигает максимума, снижается.

Несмотря на то, что в цикле с детандером допустимы более низкие давления сжатия, чем в цикле с дросселированием, и, казалось бы, возможно получение жидкого воздуха весьма экономичным способом, все же расход энергии на 1 кг перерабатываемого воздуха незначительно меньше, чем в цикле с дросселированием и аммиачным охлаждением. Причина в том, что в цикле с детандером возникают дополнительные потери холода в поршневом детандере и потери в результате неполного использования работы расширяющего в нем воздуха