Учебный вопрос № 2. Холодильный цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере

Холодильный цикл высокого давления с поршневым детандером является видоизменением цикла среднего давления с детандером. Отличие заключается в том, что в цикле высокого давления не требуется предварительное охлаждение воздуха перед детандером до низких температур. Это является определенным преимуществом, если учесть трудности смазки цилиндра детандера при низкой температуре поступающего в него воздуха.

Схема цикла высокого давления с детандером и диаграмма для него представлены на рис. 3 и 4.

Вода

1 кг Т

2 1

2 1 Т1

М i2 i1

1–М

3 1–х

4

Т4 4

1-М

i3

5

1–М–х

Рис. 4. Цикл высокого давления с расширениемвоздуха в детандере на диаграмме S–Т

Рис. 3. Схема цикла высокого давленияс расширением воздуха в детандере

Воздух сжимается до абсолютного давления 18-20 МПа в компрессоре 1 и, пройдя через водяной холодильник 2, распределяется на две примерно равной части. Одна часть (М) направляется в детандер 3, расширяется в нем до абсолютного давления 0,1 МПа и, охладившись, направляется в основной теплообменник 4, по которому проходит обратным потоком, охлаждая вторую часть сжатого воздуха (1–М), поступающего из компрессора. Эта часть воздуха после теплообменника 4 поступает в дополнительный теплообменник 5, где охлаждается дросселированным воздухом, и подводится к дроссельному вентилю 6, пройдя который частично сжимается и собирается в сосуде 7. Из сосуда 7 жидкий воздух выводится через вентиль 8. Несжижившийся воздух в количестве 1–М–х направляется обратно в теплообменники 5 и 4, где охлаждает поступающий через них сжатый воздух. Через теплообменник 5 обратным потоком проходит воздух в количестве (1–М–х+М)=(1–х). В рассматриваемом цикле, также как и в предыдущем, существует наивыгоднейшее соотношение между количеством воздуха, идущего в детандер, и давлением сжатия. При абсолютном давлении 20 МПа наименьший расход энергии на 1 кг жидкого воздуха получается примерно при М=0,5, т.е. когда в детандер поступает около 50 % подаваемого компрессором воздуха, а другая половина расширяется в дроссельном вентиле.

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; в то же время обеспечивается наибольший выход жидкого воздуха по отношению к количеству перерабатываемого воздуха.

В установках для получения жидкого кислорода применяют также цикл высокого давления с детандером и предварительным охлаждением воздуха перед детандером до минус 35-40ºС. При этом для предупреждения возможной конденсации воздуха в детандере в конце процесса расширения абсолютное рабочее давление должно быть снижено до 16-17 МПа. Охлаждение сжатого воздуха перед детандером производится воздухом, расширившимся в детандере, аналогично тому, как это принято в цикле среднего давления с детандером. В этих условиях возможна осушка воздуха вымораживанием влаги в теплообменниках.

По расходу энергии на 1 кг жидкого продукта оба процесса равноценны.