Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты

Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты

Классификация криогенных установок

Цикл высокого давления с однократным дросселированием

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.

Рабочий 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 q х – 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: i 7= i 1-D i н и i 1- i 2=D i т, где D i н – недорекуперация; D i т – изотермный дроссельэффект, окончательно получим выражение для расчета производительности установки:

. (3.9)

 

(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 Т 8 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 l д, при этом он охлаждается до температуры Т 11. 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; hиз.к, hэм.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.

 

Криогенные емкости

Емкости-хранилища стационарного и транспортного типа очень разнообразны по вместимости (от нескольких литров до сотен и тысяч метров кубических) и по назначению. При всем разнообразии конструкций криогенные емкости имеют много общего.

Емкости обычно имеют цилиндрическую форму, причем в стационарных емкостях (до 60 м3) ось цилиндра располагают вертикально для уменьшения занимаемой площади, а в транспортных – горизонтально (для увеличения устойчивости и уменьшения высоты).

Внутренний сосуд изготавливают из металлов, сохраняющих достаточную ударную вязкость при низких температурах: аустенитных сталей (в основном 12Х18Н10Т) или алюминиевых сплавов АМц и АМг-5В. Наружный корпус может быть выполнен из перечисленных металлов, а также из обычной углеродистой стали. Между внутренним сосудом для криогенной жидкости и кожухом помещена порошковая или многослойная теплоизоляция. Требуемый вакуум в теплоизоляционной полости поддерживается в период эксплуатации физическими (адсорбентами) и химическими поглотителями газа. Внутренний сосуд закрепляют в кожухе с помощью системы опор и подвесок.

В небольших емкостях внутренний сосуд крепят к горловине, служащей одновременно подвеской и трубой, позволяющей выполнять все технологические операции при эксплуатации сосуда. Сосуды этой простой конструкции называют сосудами Дьюара.

Существует два основных способа хранения криогенных жидкостей в емкостях: а) с открытым сбросом испарившегося газа в окружающую среду; б) бездренажное хранение – в закрытых емкостях. При втором способе, казалось бы, потери газа исключаются, но по мере поступления теплоты из окружающей среды давление в емкости увеличивается. Давление возрастает по определенному закону, достигая предельного значения, определяемого прочностью сосуда, после чего давление необходимо сбрасывать. Методики расчетов потерь криопродуктов с испарением при их хранении достаточно сложны [2, 3].

 

Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты