Установки для получения холода на криогенном уровне




ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

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 Тх. 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 - Тх. 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 Тх= 150 - 250 К обычно достаточно использовать цикл с одной ступенью, для сжижения воздуха, О2 или N2 х = 70 - 90 К) - с двумя ступенями, водорода(Тх = 20 К) -с двумя-тремя ступенями, гелия (Тх = 4-5 К) - не менее чем с тремя ступенями. Температурные уровни Тт(т= 1, 2, 3,...) каждой из п ступеней охлаждения в интервале Т0 - Тхможно 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 pl (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 qx = Tх(S5 - S4) = i1 - i2 = i5 - i4 = X(i1 - if). Доля выводимого сжиженного газа Xf = (i1 - i2)/(i1— if); 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 (рк)и начального (рн) давленийхладагента: qх ~ (pк - pн), а мех. работа lк ~ ln(ркн). Поэтому холодильный коэф. при увеличении рн существенно возрастает (при рк = 20 МПа и повышении рн 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 - Тх. Такая смесь сжимается в компрессоре К, при этом на уровне Т0 (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 Тх -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 Dl 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 (Тх). 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 qx = D1hl + D2h2 + (i1 - i2), где h -разность энтальпий газана входе в детандер и выходе из него. Термодинамич. эффективность реальных детандерных циклов зависит от Тх, 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 Тх. 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 Тх = 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.





Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.238.70.175 (0.012 с.)