1.2. Классификация криогенных установок

Криогенные установки классифицируют по ряду признаков: по назначению, способу получения низких температур, типу расширительного устройства, по величине начального давления воздуха и др.:

а) по назначению различают установки:

- холодильные (криорефрижераторы) – для получения низкотемпературного холода. По международной классификации это так называемые R-системы;

- сжижительные – для выработки сжиженного газа (воздуха). Это L-системы;

- газоразделительные – для разделения газовой смеси на составные части. Это D-системы.

б) по способу получения низких температур:

- дроссельные – использующие дроссель-эффект Джоуля-Томсона;

- детандерные – с расширением воздуха и отводом работы расширения;

- дроссельно-эжекторные;

- использующие вихревой эффект Ранка-Хильша и др.;

в) по давлению воздуха различают установки:

- низкого давления (давление сжатия Р_сж0,5–0,6 МПа);

- среднего давления (Р_сж2–5 МПа);

- высокого давления (Р_сж15–20 МПа).

В настоящее время выпускают воздухоразделительные установки более 30 наименований. Принципы индексации конкретных установок отражают их основное назначение и уровень производительности. Индексы установок составлены из первых букв названий продуктов:

К – кислород технический; Кт – кислород технологический; А – азот;

Аж – азот жидкий; Кж – кислород жидкий; Арж – аргон жидкий.

Цифра в индексе установки обозначает уровень производительности по основному продукту в тысячах кубических метров для газообразных продуктов или в тысячах килограммов для жидких продуктов, например: 35 – 35000 м³/ч; 6 – 6000 кг/ч. Для примера также, обозначение ВРУ НПО "Криогенмаш" – КААр-15 означает: установка производит газообразные технический кислород, азот, аргон. Производительность по кислороду – 15000 м³/ч.

В данном курсе рассматриваются установки только для сжижения и разделения воздуха на составляющие элементы, т.е. L, D-системы. Так как это установки, работа которых связана с изменением состояния рабочего тела, то они относятся к классу трансформаторов теплоты газожидкостного типа.

1.3. Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты

Все криогенные трансформаторы теплоты, независимо от назначения, можно представить себе в виде единой структурной схемы. Они все содержат ступени одинакового назначения. Рассмотрим структурную схему газожидкостного трансформатора теплоты в виде воздухосжижительной установки (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты:

СПТ – ступень подготовки рабочего тела; СПО – ступень предварительного охлаждения; СОО – ступень окончательного охлаждения; СИО – ступень использования охлаждения

Ступень подготовки рабочего тела (СПТ) располагается выше температурного уровня окружающей среды Т_о.с. Задача СПТ – повысить эксергию рабочего тела (воздуха) для работы установки в целом. Она достигается повышением давления воздуха в компрессоре за счет подвода механической (электрической) энергии Е_подв, с отводом теплоты охлаждения Q_о.с в окружающую среду.

Непосредственно за СПТ размещается ступень предварительного охлаждения (СПО). Здесь охлаждение осуществляется, как правило, за счет регенерации холода. Но может применяться и вспомогательная холодильная машина – как дополнение. Характерная особенность – процессы в СПО протекают при температуре существенно ниже Т_о.с.

Далее идет ступень окончательного охлаждения (СОО). Здесь рабочее тело охлаждается до самой низкой температуры – температуры конденсации (кипения) воздуха Т₀. Здесь используются процессы внутреннего охлаждения – дросселирование воздуха и расширение его в детандере.

Непосредственно к СОО примыкает ступень использования охлаждения (СИО). В этой ступени L-системы отводится жидкий воздух. С этим воздухом отводится и часть эксергии холода – E_q.

Если трансформатор теплоты работает в режиме рефрижератора (R-система), то отвода жидкого воздуха нет. Теплота охлаждаемого объекта Q₀ идет на испарение жидкого воздуха. При этом эксергия E_q передается охлаждаемому объекту.

Как уже указывалось в классификации, установки L- и R-систем, в зависимости от способов внутреннего охлаждения в СОО, подразделяются на два основных вида:

- дроссельные – с охлаждением воздуха дросселированием (в так называемых ступенях Линде);

- детандерные – с охлаждением воздуха расширением в детандере (в ступенях Сименса).

Ступенью называют расширитель в комплекте с теплообменниками для регенеративного охлаждения воздуха.

Охлаждение воздуха в детандере используется не только в СОО, но и в СПО (схемы Клода, Гейландта, Капицы).