3. Технические процессы сжижения газов

3.1. Цикл высокого давления с однократным дросселированием

С хема такой установки и процесс сжижения воздуха в ней предложены К. Линде¹. Схема установки и ее рабочий процесс представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема установки К. Линде и ее квазицикл в T, s-диаграмме: I – компрессор; II – холодильник; III – регенеративный теплообменник; IV – дроссель; V – отделитель жидкости;

m – индекс высокого давления; n – индекс низкого давления

Отличием L-системы от R-системы является отвод сжиженного газа. Система становится открытой и в ней вместо цикла осуществляется квазицикл. Потоки m и n (высокого и низкого давления) становятся неравными.

Работа установки от момента пуска протекает следующим образом.

Атмосферный воздух сжимается в компрессоре I от начального давления P_n до давления P_m = 10–22 МПа и охлаждается в холодильнике II до температуры Т₂ =Т₁=Т_о.с. Затем он проходит теплообменник III (при пуске Т₂ = Т₃) и дросселируется (процесс 2-4). При этом температура воздуха снижается с Т₂ до . Весь охлажденный воздух с давлением P_n подается в ТО III, где он охлаждает последующую (уже встречную) порцию сжатого воздуха до температуры (точка 3, где на величину температурного напора в теплообменнике).

Далее уже этот воздух дросселируется и охлаждается до температуры . Он, в свою очередь, охлаждает следующую порцию сжатого воздуха до температуры и т.д.

Через некоторое время устанавливается стационарность (равновесие) процесса. Воздух за ТО будет иметь температуру Т₃ и при дросселировании превращается во влажный пар с параметрами точки 4. В отделителе жидкости V насыщенный пар с параметрами точки 6 отделяется от капелек жидкости. Жидкий воздух с параметрами точки 5, в количестве y кг, выводится из установки как конечный продукт.

Холодный воздух (насыщенный пар с параметрами точки 6) охлаждает в ТО встречный поток сжатого воздуха и с параметрами точки 7 покидает установку. Обычно он снова подается на вход в компрессор.

Количество сжижевшегося воздуха может быть определено по диаграмме (правило рычага):

. (3.1)

Производительность установки по жидкому воздуху можно вычислить из энергетического баланса установки.

Примем производительность компрессора за 1 (1 кг). Тогда в ТО аппарат входит 1 кг воздуха с энтальпией i₂ (после изотермического сжатия). Теплоприток извне (через теплоизоляцию) обозначим – q_из. Тепловой баланс установки (для расчетного контура) в таком случае может быть представлен соотношением:

, (3.2)

откуда или , кг. (3.3)

Видно, что производительность установки тем выше, чем больше числитель выражения (3.3), т.е. чем больше разность энтальпий i₇ – i₂ и меньше теплоприток q_из.

Примечание: при y = 0 сжижительная установка превращается в криорефрижератор (R-система, с замкнутым циклом), где вся холодопроизводительность тратится на компенсацию теплопритока через изоляцию.

Разность величин i₁–i₇ = i_н называют недорекуперацией. Отсюда i₇ = i₁–i_н. Разность i₁–i₂ = i_т – называют изотермным дроссельэффектом (см. формулу (2.3)).

Подставив эти величины в равенство (3.3) получим расчетное соотношение для производительности установки:

, (3.4)

где i₁–i₅ = q_ож – теплота сжижения. Очевидно, что производительность установки тем выше, чем больше изотермный дроссельэффект, меньше недорекуперация и теплоприток извне. (Так как числитель меньше знаменателя, то вычитание i_н ведет к уменьшению дроби.)

Эффективность работы сжижительной установки оценивается эксергетическим КПД, который представляет собой отношение минимальной работы сжижения l_мин = y(e₅–e₁) = l_сжy к действительно затраченной работе в установке l_дей:

, (3.5)

где _из.к, _э.м.к – изотермический и электромеханический КПД компрессора; – суммарные удельные потери энергии в процессе сжатия. Тогда КПД установки можно представить выражением

. (3.6)

В современных компрессорах (особенно в малых) потери d_к велики и составляют от 40 до 85 % подводимой мощности. Достаточно велики потери эксергии в дросселе криоблока (до 30 – 40 %). Потери от недорекуперации обычно невелики (до 11 %) и в ряде случаев при расчетах ими можно пренебречь.

Суммарный КПД таких воздухосжижительных установок не превышает 15 %, и, как правило, составляет примерно 6–10 %. Для уменьшения потерь в дросселях их иногда заменяют дроссельно-эжекторной системой. Это позволяет повысить КПД примерно на 3 %.