Установки для получения холода на криогенном уровне

(КУ). Эти установки, наз. также просто криогенными, по назначению бывают рефрижераторные (вырабатывают низкотемпературный холод), ожижительные, газоразделительные и комбинированные. По способу получения холода различают след. циклы КУ: с дросселированием (i = const), расширением в детандере (S = const), дросселированиеми расширением в детандере, криогенных газовых машин, с выхлопом газа из постоянного объема и др.
В циклах КУ особенно важен способ отвода теплоты от охлаждаемого тела, к-рое при охлаждении "приобретает" все т-ры от Т₀ до Т_х. Идеальным для данного случая является процесс 4'-3' (рис. 2) или процесс 1'-4' (рис. 5), т. е. непрерывный отвод теплоты на каждом температурном уровне в интервале Т₀ - Т_х. В реальных циклах осуществить такой отвод теплоты невозможно. Нек-рого приближения к этому способу можно достигнуть применением ряда ступеней охлаждения на неск. промежуточных уровнях. Для охлаждения при Т_х= 150 - 250 К обычно достаточно использовать цикл с одной ступенью, для сжижения воздуха, О₂ или N₂ (Т_х = 70 - 90 К) - с двумя ступенями, водорода(Т_х = 20 К) -с двумя-тремя ступенями, гелия (Т_х = 4-5 К) - не менее чем с тремя ступенями. Температурные уровни Т_т(т= 1, 2, 3,...) каждой из п ступеней охлаждения в интервале Т₀ - Т_хможно оценить по ф-ле:

Применение того или иного цикла, а также аппаратурное оформление КУ зависят от большого числа факторов (главный из них - необходимая холодопроизводительность, стоимость единицы холода и надежность работы установок). Поэтому в общем случае расчет и оптимизация криогенных установок представляют собой сложную задачу.
Установки с дроссельными циклами отличаются исключит. простотой и надежностью в работе, вследствие чего широко распространены в произ-ве холода и сжиженных газов. Однако из-за низкой экономичности эти установки пригодны лишь для получения холода в небольших кол-вах.
В установке с однократным, или простым, дросселированием (цикл Линде - Хемпсона; рис. 9) газ изотермически сжимается в компрессоре К (процесс 1-2), изобарно охлаждается в теплообменнике ТО до т-ры Т₃, расширяется (при i = const) в дроссельном вентиле Др от давления сжатия р₂ до давления всасывания p_l (процесс 3-4); при этом газчастично конденсируется. Жидкость в кол-ве X [доля сжиженного газа по отношению к кол-ву дросселируемого; кол-во последнего принимают за единицу, на рис. обозначают (1)] в состоянии f выводится из сборника Сб, а пар в кол-ве (1-Х)возвращается через ТО в компрессор. В точке 1 к нему добавляется газ в кол-ве X, и цикл повторяется. Холодопроизводительность q_x = T_х(S₅ - S₄) = i₁ - i₂ = i₅ - i₄ = X(i₁ - i_f). Доля выводимого сжиженного газа X_f = (i₁ - i₂)/(i₁— i_f); где R - газ. постоянная.

Рис. 9. Схема криогенной установки с однократным дросселированием.

В идеальном дроссельном воздушном цикле очень малы доля получаемой жидкости (~ 5,5%) и холодильный коэф. (-7%); коэф. 5%. В реальном цикле из-за тепловых потерь в окружающую среду, недорекуперации теплоты в ТО, а также неизотермичности сжатия значения и м. б. существенно ниже (в 2-3 раза и более).
Кроме низкой эффективности, простой дроссельный цикл оказывается принципиально непригодным при i₁ < i₂. Известны методы повышения эффективности такого цикла. Главный из них - предварит. охлаждение сжатого газа от внеш. источника. Так, в воздушном дроссельном цикле с промежуточным охлаждением до 228 К (Т₀ = 300 К) доля получаемой жидкости увеличивается до ~ 16,5%, а - до 15%.
Параметры криогенного цикла можно значительно улучшить применением двойного дросселирования и циркуляции части потока (рис. 10; D₁ и D₂ - потоки циркуляционный и направляемый на сжижение). В первом приближении холодопроизводительность такого цикла пропорциональна разности конечного (р_к)и начального (р_н) давленийхладагента: q_х ~ (p_к - p_н), а мех. работа l_к ~ ln(р_к/р_н). Поэтому холодильный коэф. при увеличении р_н существенно возрастает (при р_к = 20 МПа и повышении р_н с 0,1 до 10 МПа коэф. увеличивается по сравнению с в 3,2 раза). При одинаковых давлениях р₁ и р₃доля сжиженного газа X по сравнению с долей газа при простомдросселировании уменьшается примерно на 15%, однако снижается на 40% мех. работа компрессора и на столько же процентов возрастает

Рис. 10. Схема криогенной установки с двойным дросселированием.

Совершенствование циклов с дросселированием достигается применением в качестве рабочей среды смесихладагентов (рис. 11) с разл. т-рами конденсации в интервале Т₀ - Т_х. Такая смесь сжимается в компрессоре К, при этом на уровне Т_{0 (р = р2)} конденсируется часть потока - компонент с самой высокой т-рой конденсации. В сборнике Сб₁ происходит разделение фаз: пар направляется в теплообменник ТО₁, а жидкость в кол-ве D₁ дросселируется через вентиль Дp₁ в обратный поток. После охлаждения в ТО₂ часть прямого потока снова конденсируется и т.д. Процесс продолжается до достижения наинизшей т-ры Т_х -т-ры конденсации прследнего компонента смеси придавлении р₁. Криогенные установки и методы расчета состава смесей хладагентов достаточно сложны, но получаемый в результате эффект весьма значителен.

Рис. 11. Схема криогенной установки, работающей на смеси хладагентов.

Рис. 12. Схема криогенной рефрижераторной установки с двумя детандерами.

Установки с детандерными циклами. К этой группе обычно относят т. наз. рефрижераторные установки (хладагентциркулирует только внутри системы), в к-рых используются один или несколько (напр., два; рис. 12) детандеров на разных температурных уровнях, в т. ч. на самом нижнем. После изотермич. сжатия в компрессоре газ охлаждается втеплообменнике ТО₁, из к-рого часть газа в кол-ве D_l отводится в детандер Д₁, расширяется в нем и поступает втеплообменник ТО₂ в качестве обратного потока. Оставшаяся часть газа в кол-ве D₂ после охлаждения втеплообменниках ТО₂ и ТО₃ расширяется в детандере Д₂; при этом в установке достигается наинизшая т-ра (Т_х). При понижении т-ры охлаждаемого объекта от Т₇ до Т₆ рабочий газ подогревается от Т₆ до Т₇ и как обратный поток подается в теплообменник ТО₃. Холодопроизводительность q_x = D₁h_l + D₂h₂ + (i₁ - i₂), где h -разность энтальпий газана входе в детандер и выходе из него. Термодинамич. эффективность реальных детандерных циклов зависит от Т_х, однако достаточно высока (_т = 0,2 - 0,4).
Установки с дросселированием и расширением в детандерах широко распространены для сжижения газов и получения холода на любых температурных уровнях (вплоть до неск. К). Число детандеров, к-рые могут работать параллельно или последовательно, изменяется от 1 до 4. Благодаря отводу теплоты на неск. температурных уровнях термодинамич. эффективность этих установок достаточно высока и достигает в цикле без потерь 75%. Циклы с однимдетандером и дросселем используются для произ-ва О₂, N₂ и Ar (см. Воздуха разделение).
В зависимости от давления в системе различают циклы высокого (20 МПа), среднего (4-6 МПа) и низкого (0,6 МПа)давлений. В цикле высокого давления (цикл Гейланда) детандер работает на самом верх. температурном уровне (рис. 13). Кол-ва газа, направляемые в детандер и дроссель, примерно равны. Такая установка обладает наилучшими (по сравнению с установками среднего и низкого давлений) термодинамич. показателями (доля сжиженного газа X = 20%, коэф. = 18%), однако не может обеспечить большой холодопро-изводительности, т. к. использует поршневые компрессоры и детандеры.
В цикле низкого давления детандер работает на самом низком температурном уровне (рис. 14). Кол-во газа, направляемого в детандер, составляет ок. 96%, в дроссель - лишь 4%. Энергетич. показатели подобных установок значительно хуже, чем для установок высокого давления (Х=6%, 12,5%). Однако в качестве детандеров и компрессоров применяют только турбомашины, что обеспечивает возможность переработки больших кол-в материальных потоков (до 300 тыс. м³/ч воздуха). Впервые цикл низкого давления осуществил П. Л. Капица, к-рый сконструировал высокоэффективный турбодетандер, способный работать на уровне - 100 К.

Рис. 13. Схема криогенной установки, работающей по циклу высокого давления.

Криогенные газовые машины нашли применение благодаря высокой компактности и эффективности. Наиб. распространены машины, работающие по идеальному холодильному циклу Стирлинга, а также по циклу Гиффорда - Мак-Магона. В холодильном цикле Стирлинга (рис. 15) два поршня движутся в цилиндре прерывисто со сдвигом по фазе. Между поршнями размещен регенератор Р, к-рый делит рабочую полость на теплую и холодную части. Газизотермически сжимается (процесс 1-2), параллельным движением поршней изохорно перемещается через регенератор (процесс 2-3) и охлаждается до т-ры Т_х. Затем за счет движения правого поршня газ расширяется, его т-ра снижается и or охлаждаемого тела к нему подводится теплота (процесс 3-4). Поршни параллельно сдвигаются влево, холодный газ изохорно перемещается через регенератор, охлаждая его, и процесс повторяется.

Одноступенчатые машины используют для получения холода на уровне 150-70 К и до 40 К при небольшой холодопроизводительности; 0,1, = 20 - 42%. Более низких т-р достигают, применяя двухступенчатые машины трехступенчатые машины обеспечивают Т_х = 8,5 К.

Рис. 14. Схема криогенной установки, работающей по циклу низкого давления.

Рис. 15. Схема криогенной газовой машины, работающей по циклу Стирлинга.

В машинах, работающих по циклу Гиффорда - Мак-Магона, холод вырабатывается с помощью залпового выхлопагаза. Одноступенчатые машины используют для получения небольших кол-в холода на уровне до 35 К, а двухступенчатые - до 7 К. Коэф. для этих машин меньше, чем для машин, работающих по циклу Стирлинга.
Из-за сложности аппаратурного оформления холодильные процессы трудно моделируются. Поэтому их исследования и испытания холодильного оборудования выполняют, как правило, не на лабораторных, а на стендовых (полупромышленных) и пром. образцах, реальных хладагентах и в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.