- •1. Введение
- •1.1. Состав воздуха, продукты его разделения, их характеристики и использование
- •1.2. Классификация криогенных установок
- •1.3. Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты
- •2. Термодинамические основы сжижения газов
- •2.1. Основные процессы для получения низких температур в воздухосжижительных установках
- •2.1.1. Дросселирование
- •2.1.2. Расширение газа в детандере
- •Лекция 16
- •2.2. Теоретические процессы сжижения газов (воздуха)
- •3. Технические процессы сжижения газов
- •3.1. Цикл высокого давления с однократным дросселированием
- •3.2. Цикл высокого давления с однократным дросселированием и дополнительным охлаждением
- •3.3. Квазицикл высокого давления с расширением газа в детандере (процесс ж. Клода)
- •3.4. Схема и квазицикл установки высокого давления (процесс п. Гейландта)
- •3.5. Схема и квазицикл установки низкого давления с расширением в турбодетандере (процесс п.Л. Капицы)
- •4.2. Ректификация жидкого воздуха
- •4.2.1. Общие сведения
- •4.2.2. Колонна однократной ректификации (для получения кислорода)
- •4.2.3. Колонна однократной ректификации для получения азота
- •4.2.4. Колонна двукратной ректификации
- •4.3. Получение аргона и других инертных газов
- •4.4. Хранение и транспортирование криогенных веществ
- •4.4.1. Тепловая изоляция криогенных систем
- •4.4.2. Криогенные емкости
- •Часть 5
- •5. Общие сведения о газовом топливе
- •5.1. Свойства газового топлива
- •5.2. Структура газопотребления
- •5.3. Основные пути экономии газа по отраслям
- •6. Назначение, состав и схемы систем газоснабжения
- •6.1. Схема сбора и транспорта газа
- •6.2. Прием и распределение газового топлива
- •6.2.1. Неравномерность потребления и методы ее выравнивания
- •6.2.2. Система газоснабжения промышленного предприятия
- •6.2.3. Прием и распределение природного газа
- •6.2.4. Прием и распределение искусственного газообразного топлива
- •6.2.5. Схемы внутрицеховых газопроводов
- •6.2.6. Схемы газорегуляторных пунктов и установок (грп и гру)
- •7. Основы проектирования систем газоснабжения
- •7. 1. Расчет газовых сетей
- •7.2. Устройство наружных газопроводов
- •Литература
3.2. Цикл высокого давления с однократным дросселированием и дополнительным охлаждением
Установку, действующую по такому циклу, К. Линде построил в 1900 году. В качестве дополнительного охладителя сжатого воздуха он применил аммиачную холодильную машину. Но можно использовать любую ХМ с любым хладагентом. Такие установки применяют для получения низкотемпературного холода и для сжижения воздуха.
Р абочий процесс и квазицикл установки (см. рис. 3.2) не изменяются от введения дополнительной ступени охлаждения. Но увеличивается эффективность ступени предварительного охлаждения (СПО) и, как следствие, возрастает холодопроизводительность установки.
Рис. 3.2. Схема и квазицикл воздухосжижительной установки К.Линде с дополнительным охлаждающим устройством в СПО:
I – компрессор; II – холодильник; III, V – регенеративные теплообменники СПО; IV – испаритель-воздухоохладитель дополнительной ХМ;
VI – дроссель; VII – сепаратор
Энергетический баланс такой установки:
, (3.7)
где qх – удельный отвод теплоты от воздуха в испарителе дополнительной холодильной машины.
Из уравнения (3.7) находится производительность сжижительной установки:
. (3.8)
Подставив сюда принятые уже обозначения: i7=i1-iн и i1-i2=iт, где iн – недорекуперация; iт – изотермный дроссельэффект, окончательно получим выражение для расчета производительности установки:
. (3.9)
3.3. Квазицикл высокого давления с расширением газа в детандере (процесс ж. Клода)
Этот цикл был реализован французским физиком Ж. Клодом в 1902 г. Отличие установки Клода от установки Линде в том, что вместо внешнего охлаждения дополнительной холодильной машиной используется внутреннее охлаждение при помощи детандера. При этом отпадает необходимость в другом хладагенте. В качестве охладителя используется часть сжимаемого газа.
Схема такой установки и ее квазицикл приведены на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Схема и квазицикл воздухоожижительной установки Ж.Клода:
I – компрессор; II – холодильник; III, IV, V – регенеративные теплообменники СПО; VI – дроссель; VII – влагоотделитель; VIII - детандер
Сжатый воздух (газ) после компрессора и холодильника (в количестве 1 кг) с давлением Pm=16–20 МПа поступает в теплообменник III СПО, где охлаждается до температуры Т8 обратным (холодным) потоком воздуха. В точке 8 поток разделяется на две части. Часть с массой М (примерно 0,5) направляется в детандер, а остальное количество (1–М) проходит последовательно промежуточный IV и основной V теплообменники и дросселируется (процесс 3-4) до конечного давления Pn. Полученная при дросселировании жидкость отделяется и выводится установки в количестве y.
Поток с массой М расширяется в детандере до давления Pn с совершением работы lд, при этом он охлаждается до температуры Т11. Затем этот воздух подмешивается к обратному потоку в точке 12, чем увеличивает охлаждающие способности последнего.
Кроме того, уменьшается масса прямого потока сжатого воздуха в ТО IV и V, что позволяет охладить его до более низкой температуры, чем в установке Линде. Это увеличивает производительность и повышает эффективность установки.
Производительность установки Клода можно найти из энергетического баланса, записанного для расчетного контура (см. рис. 3.3):
,
откуда
3.10)
Здесь: ; ; – удельная холодопроизводительность детандера.
Эксергетический КПД установки:
, (3.11)
где – используемая эксергия детандера; из.к, эм.к – изотермический и электромеханический КПД компрессора.
КПД установок такого типа достигает 30 %, т.е. они вдвое эффективнее установок Линде с дополнительным охлаждением. Однако установки Клода долго не находили практического применения, так как научно-технический уровень того времени не позволял создать детандер, надежно работающий при низких температурах.