5.2. Ожижители газов
Процессы, связанные с ожижением газов, принадлежат к числу весьма энергоемких. Так, например, электрическая мощность установки производительностью 1 т/ч составляет для жидкого кислорода 1200 … 1500 кВт. Эксергетический КПД таких процессов превышает 20 … 25%, т. е. расход энергии в 4 -5 раз больше соответствующей идеальной работы.
Характерной особенностью ожижителей в отличие от рефрижераторов является то, что это всегда открытые термодинамические системы. В таких системах вместо цикла совершается квазицикл.
5.2.1. Структура ожижителей газов
Независимо от видовых особенностей, структура ожижителей состоит из ступеней одинакового назначения:
Ступень подготовки рабочего тела (СПТ) предназначена для изотермического сжатия рабочего тела при температуре окружающей среды. Это сжатие может производиться как в одной ступени компрессора, так и в нескольких последовательно включенных ступенях с промежуточным водяным или воздушным охлаждением.
На ступени предварительного охлаждения (СПО) рабочее тело предварительно охлаждается в регенеративном теплообменнике обратным потоком охлажденного рабочего тела.
Ступень основного охлаждения (СОО) обеспечивает ожижение рабочего тела. Основными вариантами СОО являются два: дроссельный и детандерный. Первый из них отличается высоким удельным расходом электроэнергии и применяется в установках малой производительности. Значительно экономичнее вариант с расширением воздуха в детандере.
Ступень использования охлаждения (СИО) включает сепаратор, позволяющий выводить из установки ожиженное рабочее тело, а пар возвращать в систему.
5.2.2. Ожижитель Линде
Схема ожижителя с дроссельной СОО, предложенного К. Линде, приведена на рис. 5.1. Квазицикл ожижителя на Т, s-диаграмме изображен на рис. 5.2.
Воздух при температуре, близкой к температуре окружающей среды Тос, и низком давлении рп = 0,1 МПа поступает в компрессор I, где его давление повышается до рm > рп и охлаждается в охладителе II до первоначальной температуры. При этом в окружающую среду отводится теплота Qос. Далее осуществляется регенерация теплоты в теплообменнике III и воздух подается к дроссельному вентилю IV. Ожиженный воздух из отделителя жидкости V отводится на ректификацию. Оставшийся воздух в состоянии сухого насыщенного пара с температурой Т6 проходит обратным потоком через регенеративный теплообменник, где нагревается до температуры Т7 и выводится в окружающую среду.
В первый момент пуска сжатый воздух дросселируется в вентиле до давления рп и его температура снижается до Т4'. Охлажденный воздух через отделитель жидкости, из которого жидкость еще не выводится (она еще не образовалась), поступает в регенеративный теплообменник, в котором нагревается, охлаждая следующую порцию воздуха до температуры Т3', близкой к Т4'. Воздух с этой температурой так же используют для охлаждения сжатого воздуха перед дросселем до Т3'', тогда после дросселирования достигается еще более низкая температура Т4''' и т. д. Через некоторое время воздух охладится настолько, что дросселирование будет заканчиваться в области влажного пара при Т4, после чего начинается вывод жидкого воздуха.
Рис. 5.1 Рис.5.2
Как видно из рис. 5.1, прямой m и обратный п потоки становятся неравными. Если подачу компрессора принять за единицу, а долю выводимой жидкости – у, то прямой поток Gm = 1, а обратный Gn = 1 – у.
Чтобы определить результаты этого неравенства потоков, составим энергетический баланс системы Линде:
h2 + qиз = yh5 + (1 – y)h7, (5.1)
где qиз – удельная теплота, подводимая из окружающей среды через изоляцию; h2, h5, h7 – энтальпия
Из уравнения энергетического баланса получаем
у = ( h7 – h2 – qиз ) / ( h7 – h5 ). (5.2)
Для удобства анализа преобразуем выражение для у к следующему виду:
у = ( Δhт – Δhп – qиз) / ( qож – Δhп ), (5.3)
где Δhт = h1 – h2 - изотермический дроссель-эффект, определяемый количеством теплоты, которое надо отвести от рабочего тела, чтобы температура в конце процесса оставалась равной начальной; Δhп = h1 – h7 - недорекуперация теплоты в регенеративном теплообменнике по сравнению с идеальным теплообменником; qож = h1 – h5 - удельная теплота ожижения.
Нетрудно видеть, что при у = 0, когда жидкость из системы не выводится, установка превращается в рефрижератор, вся холодопроизводительность которого тратится на компенсацию теплопритоков через изоляцию.
Кроме того, количество получаемого ожиженного воздуха у на единицу газа, поступающего в СПТ, тем больше, чем больше изотермический дроссель-эффект Δhт при температуре сжатого воздуха на входе в регенеративный теплообменник СПО.