Дросселирование газов
Холодильные циклы без отдачи внешней работы (с
дросселированием газа)
Рассмотрим
холодильный цикл с дросселированием газа (рис. 1). Газ с давлением P1 и
абсолютной температурой Т1 изотермически сжимается в компрессоре I до давления
P2 (линия 1 – 2), после чего, пройдя дроссельный вентиль II , газ расширяется
до первоначального давления P1 , а его температура снижается до Т3 (линия 2 – 3
при i2=const). Охлажденный газ нагревается в подогревателе III до
первоначальной температуры Т1 (линия 3 – 1 при р1 =const), отнимая от
охлаждаемой среды количество тепла, равное холодопроизводительности 1 кг газа:
q0=qдрос.
=i1-i2
(Рис.
1)
Таким
образом, холодопроизводительность при дросселировании равна разности энтальпии
газа (i1-i2) до и после изотермического сжатия в компрессоре.
Количество
тепла, отводимого при изотермическом сжатии газа, равно: -q=T1∆S
где
∆S – изменение энтропии (длина отрезка 1 – 2).
Работа,
затраченная в компрессоре на сжатие газа (при температуре Т1), согласно
уравнению l+q=i2 – i1 составляет
lкомпр. =-q+( i1-i2)= T1∆S-qдрос.
или
с учетом к. п. д. компрессора ŋк
lкомп.=
T1∆S-qдрос
ŋк
Температура
после дросселирования может быть снижена путем рекуперации холода. Для этого
сжатый газ до поступления в дроссельный вентиль пропускают через теплообменник,
где охлаждают расширенным газом перед его подачей в компрессор из
подогревателя. Холодопроизводительность и затрата работы на сжатие газа при
рекуперации холода не изменяются.
Используя
дросселирование воздуха в сочетании с рекуперацией холода, К. Линде разработал
рассматриваемые ниже циклы получения жидкого воздуха.
Цикл с простым дросселированием.
Сжатый
в компрессоре I и охлажденный до комнатной температуры воздух поступает в
теплообменник II в точке 2. Пройдя теплообменник, воздух дросселируется до
атмосферного давления и вновь направляется в теплообменник, двигаясь
противотоком по отношению к поступающему сжатому воздуху. Дросселированный
воздух охлаждает сжатый воздух, вследствие чего температура последнего перед
дросселированием все более снижается, пока не наступает частичное снижение
воздуха в точке 4. После этого жидкий воздух выводится из системы и в
теплообменник возвращается лишь несжиженная часть воздуха.
На
диаграмме T – S линия 1- 2 выражает изотермическое сжатие воздуха в
компрессоре, линия 2 – 3 – охлаждение сжатого воздуха в теплообменнике (при
постоянном давлении P2), линия 3 – 4 – дросселирование при (i=const). Точка 4
изображает состояние воздуха после
дросселирования.
Она лежит в области влажного пара, причем доля сжиженного воздуха х равна
отношению отрезка 4 – 5 к отрезку 0 – 5, а точки 0 и 5 изображают состояние
жидкого и несжиженного воздуха. Линия 5 – 1 изображает нагревание несжиженной
части воздуха (при постоянном давлении P1).
(Рис.
2)
Из
уравнения q0=x(i1-i0)+qn и q0=qдрос.=i1-i2 холодопроизводительность цикла
составляет:
q0=x(i1-i0)+qп.=
i1-i2
Разность
i1-i2 возрастает с повышением давления сжатия P2 , поэтому длинный цикл требует
применения значительного давления (около 200 ат) и связан с большим расходом
энергии.
Цикл с двукратным дросселированием
Расход
энергии на сжатие воздуха можно уменьшить, если дросселирование сжатого воздуха
производить до некоторого промежуточного давления (20 – 50 ат), направляя
несжиженную часть в компрессор II , где она снова сжимается до высокого
давления (200 ат). Полученный в сборнике промежуточного давления V жидкий
воздух для удаления его из системы дросселируется до атмосферного давления и
поступает в сборник давления VII; при испаряется часть жидкого воздуха.
Испаренный воздух т несжиженная часть воздуха после первого дросселирования
проходят через теплообменник III , где нагреваются и охлаждают воздух, сжатый
до высокого давления.
Взамен
жидкого и испаренного воздуха, удаляемых из системы, вводится такое же
количество свежего воздуха, который сжимается во вспомогательном компрессоре I
до промежуточного давления.
На
диаграмме T – S линия 2 – 3 изображает сжатие в компрессоре от промежуточного
до высокого давления, линия 3 – 4 – охлаждение в теплообменнике, линия 4 – 5 –
первое дросселирование, линия 7 – 2 – нагревание в теплообменнике несжиженной
части воздуха, линия 6 – 8 – второе дросселирование и линия 9- 1 – нагревание в
теплообменнике воздуха, испаренного при втором дросселировании.
Пусть
на 1 кг поступающего в теплообменник воздуха высокого давления подается М кг
свежего воздуха (обычно М=0,2 – 0,5); тогда через первый дроссельный вентиль
проходит 1 кг, а через второй М кг воздуха. В соответствии с этим
холодопроизводительность цикла составляет:
q0=
x(i1-i0)+qп=(i2-i3)+M(i1-i2)
Первый
член этого выражения (i2-i3) представляет собой холодопроизводительность,
обусловленную дросселированием 1 кг воздуха от высокого давления до среднего, а
член M(i1-i2) – холодопроизводительность, обусловленную дросселированием М кг
воздуха от среднего давления до 1 ат.
(Рис.
3)
Цикл с предварительным охлаждением
Дальнейшим
усовершенствованием холодильных циклов с дросселированием является
предварительное охлаждение сжатого воздуха холодом, полученным в аммиачной
холодильной установке. Сжатый воздух (рис. 4) сначала охлаждается обратным
потоком несжиженной части воздуха в предварительном теплообменнике II , а затем
поступает в аммиачный холодильник III , где охлаждается за счет испарения
аммиака до температуры около -40° С. Далее воздух охлаждается в главном
теплообменнике IV , после чего дросселируется. Несжиженная часть воздуха
проходит через главный и предварительный теплообменник. Назначение
предварительного теплообменника заключается в полном использовании холода
несжиженной части воздуха, которая в главном теплообменнике может быть нагрета
лишь до температуры охлаждения сжатого воздуха в аммиачном холодильнике.
На
диаграмме T – S 2״
соответствует охлаждению воздуха в предварительном теплообменнике, а точка 2׳ – его охлаждению в аммиачном
холодильнике. Точка 1׳,
характеризующая состояние несжиженной части воздуха на выходе из главного теплообменника,
отвечает той же температуре, что и точка 2׳.
Холодопроизводительность
цикла составляет:
q0=x(i׳1-i0)+qп. = i׳1 – i׳2
т.
е. равна разности энтальпий несжиженного воздуха, уходящего из главного
теплообменника, и сжатого воздуха, поступающего в этот теплообменник.
Количество
тепла, отнимаемого в аммиачном холодильнике, составляет:
qам.=(i׳1-i׳2) – (i1-
i2)+x(i1-i׳1)
т.
е. равно разности холодопроизводительностей данного (i׳1-i׳2) ,
необходимое для охлаждения сжимаемой части воздуха от температуры засасываемого
воздуха до температуры охлаждения в аммиачном холодильнике при 1 ат.
(Рис.
4)
Цикл с двукратным дросселированием и предварительным
охлаждением.
Этот
цикл является комбинацией циклов с двукратным дросселированием и
предварительным охлаждением.
Холодопроизводительность
цикла:
q0=x(i׳1-i0)+qп=(i׳2-i׳3)+M(i׳1-i׳2)
Количество
тепла, отводимого в аммиачном холодильнике, составляет:
qам=[(i׳2-i׳3)+ M(i׳1-i׳2)]-[(i2-i3)+M(i2-i1)]+ x(i1-i׳1)
т.
е. равно разности холодопроизводительностей данного цикла и цикла с двукратным
дросселированием без предварительного охлаждения плюс тепло x(i1-i׳1), необходимое для охлаждения
сжижаемой части воздуха от температуры засасываемого воздуха до температуры
охлаждения в аммиачном холодильнике при 1 ат.
Здесь
величины i1 и i3 соответствуют точкам 2 и 3 на рис. 3, а i׳1,i׳2 и i׳3 –
энтальпии воздуха при температуре после аммиачного холодильника и
соответственно низком, среднем и высоком давлениях.
Холодильные циклы с расширением сжатого газа в
детандере
Цикл
высокого давления (цикл Гейландта)
Сжатый
до давления ~200 ат воздух (рис. 5) разделяется на две части, из которых одна
направляется в детандер II, а другая в теплообменник III и далее в
дополнительный теплообменник IV.
Охлажденный
в теплообменниках воздух дросселируется и часть его сжижается. Несжиженная
часть проходит дополнительный теплообменник, после чего смешивается с воздухом,
расширившимся и охладившимся в детандере. Эта смесь охлаждает сжатый воздух в
теплообменнике III.
Обозначенная
через M долю воздуха, проходящего через детандер (величину М принимают 0,5 –
0,6), согласно уравнению q0=(i1-i2)+(i2-i׳3)=qдрос.+lдет.
имеем:
q0=x(i1-i0)+qп.=(i1-i2)+M(i2-i8)
Первый
член (i1-i2) выражает холодопроизводительность, получаемую в результате
дросселирования, а член M(i2-i8) – холодопроизводительность, соответствующую
работе отданной, в детандере. Коэффициент полезного действия детандера в
условиях данного цикла составляет ~0,7.
(Рис.
5)
Цикл среднего давления .
Сжатый
до давления 25 – 40 ат воздух поступает в предварительный теплообменник II, где
охлаждается до температуры около -80˚ С (точка 3). Затем часть воздуха
поступает в детандер III, где, расширяясь до 1 ат, охлаждается до температуры
порядка -140˚ С. Другая часть воздуха охлаждается в главном теплообменнике
IV и при этом конденсируется. Жидкий воздух для удаления его из системы
дросселируется до атмосферного давления и поступает в сборник VI. Испаренная при
этом часть воздуха вместе с воздухом, выходящим из детандера, проходит через
главный и предварительный теплообменник.
Обозначая
через M долю воздуха, походящего через детандер (М принимают ~0,8), находим
холодопроизводительность цикла:
q0=x(i1-i0)+qп.=(i1-i2)+M(i3-i8)
Недостатком
данного цикла является работа детандера при низких температурах, что приводит к
снижению его к. п. д. до 0,6 – 0,65.
(Рис.
6)
Цикл низкого давления.
Недостатком
цикла среднего давления, заключающийся в низком к. п. д. детандера при работе его
в условиях низких температур, может быть устранен применением турбодетандера.
П. Л. Капица разработал конструкцию турбодетандера, обладающего высоким к. п.
д. при низких температурах, что позволило снизить давление сжатого воздуха и
осуществить цикл низкого давления (Рабс.=5,5 – 6 ат). Это в свою очередь
сделало возможным применение для сжатого воздуха турбокомпрессоров и
использования регенераторов в качестве теплообменников. Принципиальная схема
цикла низкого давления такая же, как и схема цикла среднего давления.
Список литературы
Процессы
и аппараты химической технологии (А. Н. Плановский, В. М. Рамм, С. З. Каган)
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.referat.ru