Тема 26. Цикл высокого давления с расширением воздуха в

поршневом детандере (цикл Клода-Гейландта)

Холодильный цикл высокого давления с поршневым детандером является видоизменением цикла среднего давления.

Из зависимостей Т₇=f(1-М) для разных давлений следует, что при повышении давления температура воздуха, подаваемого в детандер, также повышается и при давлении свыше 20 МПа становится положительной. При этом доля детандерного воздуха составляет около 0,5 от общего его количества. Такой процесс, введенный впервые в технику П.Гейландтом, обладает тем преимуществом, что поршневой детандер работает при сравнительно высоких температурах. Это позволяет упростить конструкцию и эксплуатацию детандера. Процесс Гейландта является частным случаем процесса Клода.

Цикл высокого давления с детандером является наиболее экономичным из всех циклов получения жидкого воздуха и характеризуется наименьшей затратой энергии на получение 1 кг жидкого воздуха. Он обеспечивает наибольший выход жидкого воздуха (19,4%) по отношению к общему количеству перерабатываемого воздуха.

Затраты энергии на ожижение 1 кг воздуха при давлении Р2=4 МПа составляют 1,4кВтч/кг, при Р₂=20 МПа – 1,1 кВтч/кг.

Применительно к производству жидкого кислорода наибольшее распространение получил процесс Клода-Гейландта с рабочим давлением Р₂=16,5 МПа, при котором температура входа воздуха в детандер составляет от –35⁰С до –40⁰С и (1-М) = 0,650,7.

Температура воздуха после детандера в этом случае несколько выше температуры его конденсации при давлении выхода из детандера.

Тема 27. Цикл низкого давления (0,5-0,7 мПа) с расширением воздуха

в турбодетандере (цикл Капицы)

Холодильный цикл, разработанный академиком П.Л.Капицей в 1939 г., основан на применении воздуха низкого давления и получении необходимого холода за счет расширения этого воздуха в воздушном турбодетандере с производством внешней работы.

Рассмотрим схему холодильного цикла Капицы и его T-S диаграмму (рис.27.1.).

Воздух сжимается в турбокомпрессоре до давления 0,5-0,7 МПа и после охлаждения в холодильнике в состоянии, соответствующем точке 2, поступает в теплообменники-регенераторы I. После охлаждения воздухом обратного потока до температуры Т₇ сжатый воздух разделяется на два потока. Основная часть воздуха (1-М) – около 90%, - направляется в турбодетандер, расширяется в нем до начального давления с производством работы (внешней) и при этом охлаждается почти до начала конденсации, т.е. до состояния, близкого к сухому насыщенному пару.

Расширенный в турбодетандере воздух вместе с парами, выходящими из отделителя жидкости ОЖ, проходит теплообменники II и I, где охлаждает сжатый воздух и выводится в атмосферу при температуре Т₉.

Вторая часть потока в количестве М (10%) поступает в теплообменник II, в котором дополнительно охлаждается и ожижается, затем поступает на дроссельный вентиль и дросселируется. Жидкость, полученная после дросселирования в количестве у, отводится из отделителя жидкости.

На T-S диаграмме этого цикла горизонтальной линией 1-2 изображено изотермическое сжатие воздуха до давления Р₂, изобарой 2-7 – охлаждение в регенераторах до состояния точки 7. По линии 7-6 происходит расширение воздуха в турбодетандере до абсолютного давления Р₁=0,1 МПа, причем линия 7-6¹ соответствует адиабатному процессу расширения, а линия 7-6 – действительному. Конденсация части воздуха, не проходившей через турбодетандер, протекает по линии 7-7¹-3.

Линия постоянной энтальпии 3-4 соответствует процессу дросселирования.

Пары жидкого воздуха в состоянии точки 6 смешиваются с потоком воздуха из турбодетандера и нагреваются в теплообменниках II и I по изобаре 6-8-9.

Известно, что при снижении давления воздуха в процессе с детандером расход энергии на получение 1 кг жидкого воздуха возрастает. Уменьшается и количество ожижаемого воздуха на 1 кг перерабатываемого воздуха.

В чем же тогда преимущества цикла Капицы?

Преимущества связаны с возможностью применения турбомашин, которые легче, не загрязняют смазкой воздух, проще в обслуживании и могут работать с более высоким к.п.д., чем поршневые.

Кроме этого, в процессах низкого давления возможно применение вместо теплообменников-рекуператоров более совершенных и компактных теплообменников-регенераторов, в которых одновременно с теплообменом происходят процессы массообмена – осушка и очистка воздуха от СО₂.

Введение регенераторов в технику разделения воздуха позволило уменьшить потери от необратимости и снизить удельный расход энергии. Первый регенератор был предложен М. Френклем в 1924 г.

В 1 м³ объема регенератора размещается до 2500 м² поверхности теплообмена.

На 1м² поверхности рекуперативного теплообменника приходится 15 кг массы, а регенеративного 0,5-0,6 кг.

Применение регенераторов позволило упростить конструкцию аппаратов и снизить гидравлические сопротивления.

Использование для сжатия и расширения воздуха турбомашин (турбокомпрессора и турбодетандера) с высоким к.п.д. дает возможность создавать на основе цикла Капицы установки для получения больших количеств жидкого воздуха и продуктов его разделения со значительно большей производительностью, чем при использовании поршневых машин.

В цикле низкого давления упрощается технологическая схема, облегчается обслуживание, повышаются надежность и взрывобезопасность установки.

Стоимость кислорода самая низкая, открывающая возможность и экономическую выгоду его использования в металлургической технологии.

• *Реципиент – сосуд, служащий приемником для жидкостей и газов