Потери холода в циклах криогенных установок

 

Рассмотрим этот общий вопрос на примере цикла с однократным дросселированием и регенеративным теплообменом (простой цикл Линде). В циклах криогенных установок существует два вида потерь: потери от недорекуперации – q2; потери от теплообмена с окружающей средой – q3.

Потери от недорекуперации q2 определяются выражением

 

(3.10)

 

Из выражения (3.10) следует, что величина потерь от недорекуперации определяется разностью температур на теплом конце регенеративного теплообменника. Эта разность температур не может выбираться произвольно, а определяется из технико-экономических соображений (минимизации затрат) путём совместного решения уравнения (3.10) и основного уравнения теплопередачи

 

Q = k F DTt (3.11)

 

 

В большинстве циклов разность температур на теплом конце регенеративного теплообменника рекомендуется выбирать в интервале 3...8 С.

Потери от теплообмена с окружающей средой q3 определяются качеством и толщиной изоляции, а также «качеством» проектирования и минимально возможной площадью поверхности всей установки. Удельная потеря q3 тем меньше, чем больше производительность криогенной установки.

В итоге, для величины действительной холодопроизводительности получаем

(3.12)

 

ЦИКЛ С ОДНОКРАТНЫМ ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ И

ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Как было показано ранее, холодопроизводительность простого цикла Линде определяется величиной интегрального изотермического дроссель-эффекта Di_T , который существенно зависит от температуры. С понижением температуры его значение увеличивается. Исходя из этих соображений, Линде рассмотрел цикл с однократным дросселированием и промежуточным охлаждением.

В этом цикле (рис. 3.4) прямой поток (поток высокого давления P₂) охлаждается последовательно в регенеративном теплообменнике А1 (процесс 2 – 3) обратным потоком низкого давления P₁(процесс 8 – 1); в испарителе холодильной машины (ХМ), где от газа высокого давления отнимается количество тепла, равное холодопроизводительности холодильной машины q₀ ^хм (процесс 3 – 4); в регенеративном теплообменнике А2 (процесс 4 – 5) обратным потоком низкого давления (процесс 7 – 8). На схеме, реализующей цикл с однократным дросселированием и промежуточным охлаждением, показана не вся схема холодильной машины, а только ее испаритель. В простейшем случае схема холодильной машины содержит, кроме испарителя, компрессор, конденсатор и дроссельный вентиль. В рассматриваемой на рисунке 3.4 схеме элемент схемы А3 выполняет роль испарителя криогенной установки, если установка работает в рефрижераторном режиме, или роль сборника сжиженного газа, если установка работает в ожижительном режиме.

Составим энергетический баланс для контура, исключающего компрессор К:

(3.13

 

Рис. 3.4. Цикл с однократным дросселированием и промежуточным охлаждением

и схема установки

 

Получим иное выражение для q0, рассмотрев контур, исключающий компрессор К, теплообменник А1 и холодильную машину ХМ:

 

(3.14)

 

Анализ показывает, что использование умеренного холода в криогенных установках экономически выгодно, так как его получение требует на порядок меньшей затраты работы, и, как следствие, холодильный коэффициент цикла Линде с промежуточным охлаждением оказывается выше, чем холодильный коэффициент простого цикла Линде.

 

ДЕТАНДЕРНЫЕ ЦИКЛЫ

Как было показано ранее, детандирование эффективнее, чем дросселирование (при детандировании достигается более низкая температура, производится больше холода и возвращается работа). Выражение «детандерные циклы» означает, что основное количество холода «производится» в детандере.