Теоретические основы криогенной техники. Холодильные циклы. Технологические схемы н оборудование воздухе разделительных установок.

Для каждого газа существует определённая температура кипения, ниже которой он не может быть приращен в жидкость ни при каком давлении - критическая температура. В основу получения низких температур было получено явление Джоуля-Том пеона, которые обнаружили, что при расширении сжатого газа температура реальных газов понижается. Это явление легло в основу создания холодильных циклов, в которых можно получать низкие температуры. Цикл разработал Линде в 1925 году - цикл высокого дааления, при расширении температура понижается вплоть до температуры конденсации. В это же время Линде сделал колонну двукратной ректификации. Этим методом можно получать азот с содержание 99.998%,

Pv=nRT

(p+a/V)(V-b)=RT

где a/V- сила взаимного притяжения.

Ъ- несжимаемый объем газа

Расширение сжатого воздуха в компрессорах осуществляет 3 вида работы:

1) внутренняя энергия изменяется за счет притяжения между молекулами

2) работа, совершаемая за счёт перемещения объёма газа на том давлении, в котором происходило расширение

3) полезная работа, которая отдаётся на сторону и может быть использована в газовом компрессоре и турбине.

3-ий вид работы осуществляется за счёт изменения внутренней энергии газа. При расширении газа температура будет понижаться в значительно меньшей степени, чем при дросселировании. Процесс сжатого газа осуществляется при дросселировании при постоянной энтропии.Для сжижения газа применяется в промышленности различные холодильные циклы. Циклы с простым дросселированием сжатого воздуха детандеры.

Холодильным Циклом называется процесс, последовательною сжатия и расширения воздуха, которое сопровождается их нагреванием и охлаждением.

Холодильные циклы высокого давления:

Холодильные циклы высокого давления с дросселированием разработал Линде. Холодильные циклы высокого давления с дросселированием

1-компрессор; 2-водяной холодильник; 3-противоточный теплообменник; 4-

дроссельный вентиль; 5-сборник жидкого воздуха; 6-вентиль для жидкого воздуха Рис. 3.1

Теплота сжатия отводится в водяном холодильнике 2. Сжатый и охлаждённый воздух поступает в трубное пространство 3, а в межтрубное подается несконденсированная часть воздуха из сборника жидкого воздуха 5. Сжатый воздух охлаждается до температуры близкой к температуре конденсации. Сжатый воздух проходит дроссельный вентиль, конденсируется и собирается в сборнике. Несконденсированный подаётся на теплообменник.

1-2 сжатие воздуха при netтояупоЙ > а талы i ни линия; 2-3 процесс охлаждения сжатого воздуха; 1-3 процесс изотермического сжатия воздуха; 3-4 процесс охлаждения сжатого воздуха в противоточном теплообменнике; 4-5 Изображает процесс дросселирования воздуха; 5-6-1 нагревание нес конденсированного воздуха. Рис,.3,2 Холодильный цикл среднего давлении. Цикл Клода с расширением части воздуха в поршневом детандере

1-Компресеор; 2-водяной холодильник; 3,4-противоточные теплообменники; 5-
поршневой детандер; 6-дроссельный вентиль; 7-еоорпик жидкого воздуха; 8-еборник

для слива.

Рис. 3.3 Исходный воздух сжимается до 2-4 Миа.Теплота отводится В холодильнике 2, затем воздух поступает в трубное пространство теплообменника 3, в котором охлаждается за счёт холода нескондесированоЙ части воздуха. После 3 часть воздуха 70-80% от исходного количества отбирается и выводится в детандер 5, где расширяется с отдачей внешней теплоты на сторону, сильно охлаждается, объединяется с обратным потоком неекондеисированой части воздуха и подается в трубное пространство 4-ю теплообменника. 20-30% поступает в трубное пространство 4, где охлаждается до температур, близких к температурам конденсации. Часть воздуха конденсируется и выводится на ректификацию.

T-S диаграмма спстнего яавлен

■ 1-2- процесс изотермического сжатия воздуха в компрессоре;.2-3- процесс охлаждения сжатого воздуха в теплообменнике 3;. 3-6- идеальный процесс охлаждения; • 3-6-фактический процесс охлаждения;... 3-4- охлаждение во втором теплообменнике: 4-5-дросселирование сжатого воздуха.

Рис. 3.4 Холодильный цикл низкого давлении с расширением в турбодетандере

1 -турбо комм пресс о р; 2-водяной холодильник; З-тетоообмешшк-р^енератир; 4-распре делительный вентиль; 5-Турбо детандер; б-конденсатор; 7-дроссельный вентиль'. 8-вентиль для слива жидкого воздуха.

Рис. 3.5

Воздух сжимается в турбокомпрессоре до 6-7 атм. Теплота сжатия отводится в водяном холодильнике до исходной температуры и поступает в теплообменник-регенератор, где охлаждается обратным потоком несконденсироваиного воздуха Гемпература воздуха на выходе из теплообменника близка к температуре конденсации. Сжатый воздух разделяется на 2 потока. Большая часть 94-95% подаётся в турбо детандер 5, в котором расширяется до атмосферного давления е отдачей внешней работы на сторону.

За счёт расширения температура воздуха снижается, и расширенный воздух подаётся в трубное пространство конденсатора. Остальная часть подаётся в межтрубное пространство конденсатора и полностью конденсируется, затем поступает в дроссельный вентиль, где потом идёт на ректификацию.

2-3-изображает процесс охлаждения сжатого воздуха в тс нлообм с! шике -ре генераторе; 3-4-распшрение сжатого воздуха в тур бодетан дере;

3-5-6-охлаждение сжатого воздуха в межтрубном пространстве конденсатора; 6-7- дросселирование сжатого воздуха;

7-4-1- процесс расширения и нагревания воздуха в турбо детандере.

1-нижняя колонна