§10. Идеальный процесс охлаждения, ожижения и замораживания газа.

Для разделения газовой смеси (в том числе и воздуха), с начала их переводят в жидкое состояние в процессе низкотемпературного охлаждения и после чего разделяют на компоненты.

Этот процесс наиболее отработан, хотя сейчас разрабатываются и другие процессы и технологии, в частности – адсорбционные и мембранные технологии.

Рассмотрим различные сценарии перевода газа в жидкое и твердое состояние.

1-2 – изобарное охлаждение

2-3 - изобарное изотермическое охлаждение

т.3 – жидкость

1-3 – процесс ожижения

qож = h1 – h3

3-4 – переохлаждение жидкости

т.4 – зарождаются твердые частицы, начало затвердевания

4-5 – затвердевание при Ттт – температура тройной точки

4-5 – шугообразное состояние

т. 5 – твердое тело

2 сценарий: в т.3 можно попасть и другим путем – провести изотермическое сжатие до т.6, потом 6-7 – изобарное охлаждение, 7-3 – адиабатическое расширение.

Можно охладить по 7-8-9, тогда затвердевание начинается из газовой фазы.

т. 8 – сублимированная масса

т. 9 – твердое при увеличении давления – Р6

3 сценарий: можно осуществить сжатие еще до более высокого давления Р10, 1-6-10 – охлаждение.

И из т.10 – адиабатическое расширение 10 – 5

Реально не применяются, т.к. необходимо создать Р=100…1000 МПа

Более предпочтительно – 1-11-3-4-5

§11. Ожижители с дроссельной системой

окончательного охлаждения (квазицикл Линде)

Рассмотрим охладительные установки и TS-диаграмму этого цикла.

Мы рассматриваем квазицикл. Рабочее тело после прохождения цикла покидает его.

Этот цикл относится к циклам газожидкостных тепловых трансформаторов.

В его основе лежит идея регенерации и дросселирования.

Дросселирование проходит в области влажного насыщенного пара.

Газ с параметрами т.1 с Р1 изотермически сжимается в компрессоре 1-2 с отводом тепла в теплообменнике.

Комплекс устройств, находящихся выше сечения а-а называется устройством подготовки рабочего тела. Далее рабочее тело охлаждается в процессе 2-3 в регенеративном теплообменнике (прямой поток м).

Тепло регенерации передается обратному потоку n, который в регенеративном подогревателе нагревается.

Процесс 3-4 – дросселирование на ДВ.

Т.4 – влажный насыщенный пар.

Пар поступает в отделитель жидкости ОЖ, где делится на жидкость с паром т.5 и сухой насыщенный пар с параметрами т.6. Этот пар нагревается в регенеративном теплообменнике в процессе 6-1 и с параметрами т.1’ покидает цикл.

Для квазицикла поток либо выводится из цикла, а для циклической установки могут вернуться в цикл.

Холодопроизводительность цикла – 4-6-S6-S4.

§ 12. Недорекуперация. Изотермический дроссель-эффект. Энергетический баланс криоблока.

Криоблоком считают блок, установленный ниже сечения а-а.

Для криоустановок энергетический баланс записывается только для криоблока, без блока подготовки рабочего тела.

Работа регенеративных теплообменников характеризуется величиной - ∆Тн – температура недорекуперации.

∆Тн = Т1 – Т1’

Если бы теплообменник был идеальным, то обратный поток n мог бы догреться до температуры идеального потока м.

В реальных теплообменниках всегда есть разность температур ∆Тн, только идеальный теплообменник:

Т1’ Т2 = Т1

∆Тн приводит к разности энтальпий, которую называют ∆hк.

Составим энергетический баланс для криоблока для 1 кг рабочего тела с h2.

В газообразном соединении с h1’ выхода рабочего тела в количестве (1-y).

Также из криоблока выходит жидкость h5 в количестве y.

1h2 + 1qиз = yh5 + (1 - y)h1’

1h2 + 1qиз = h1’ - yh1’ + yh5

yh1’ - yh5 = h1’ – 1h2 - 1qиз

Введем дополнительные обозначения:

1. ∆hн = h1 - h1’ – т.е. это потери Q от недорекуперации.

2. ∆hт = h1 – h2 – изотермический дроссель – эффект, энтальпия при одной и той же температуре, но разном давлении.

В отличие от дифференциального дроссель-эффекта, который показывает величину эффекта в градусах, ∆hт показывает какое количество тепла нужно подвести (отвести) к рабочему телу, чтобы в процессе дросселирования температура была постоянной.

∆hт – энтальпия рабочего тела при постоянной температуре, но разных Р.

qож = (h1 – h5) – только для ожижения

Введем замены:

h1 – h5 = qож

h1 – h1’ = ∆hн

h1’ – h5 = qож – ∆hн

h1 – h2 = ∆hт

h1 - h1’ = ∆hн

h1’ – h2 = ∆hт - ∆hн

Анализ:

Чем больше ∆hт, тем больше выход жидкости, т.е. чем больше Р сжатия, тем больше можно получить рабочего жидкого тела. Но с ростом Р растут затраты на сжатие.

Внутренний КПД изотропного сжатия:

Но темп роста выхода жидкости опережает темп роста затрат работы.

Предел роста давления – инверсионная кривая.

Чем меньше ∆hн, тем больше y, т.е. чем более совершеннее теплообменник, тем меньше величина ∆hн.

Чем меньше qож, тем больше выход y, т.е. эту величину qож можно уменьшить используя предварительное охлаждение, т.е. уменьшить Т1.