Цикл Линде

Тема 24. Термодинамические процессы и холодильные циклы

Критические параметры для воздуха

Р_кр = 37,66 бар (38,4 кг/см²)

Т_кр = 132,4 К (-140,6⁰С)

Сжижение газа при достижении критической температуры происходит без отвода теплоты. Теплота конденсации в этом случае равна нулю.

Получение кислорода из воздуха глубоким охлаждением наиболее экономично. В зависимости от производительности и технологической схемы установки расход энергии на производство из воздуха 1 м³ кислорода составляет от 0,4 до 1,6 кВт×ч.

воздухоразделительных установок.

Для охлаждения и сжижения газов в технике используют холодильные циклы. Холодильным циклом называется замкнутый процесс последовательного сжатия и расширения газа, сопровождающийся его нагреванием и охлаждением.

Во всяком холодильном цикле затрачиваемая работа всегда больше получаемой, так как отнятие теплоты от охлаждаемого тела происходит на более низком температурном уровне, чем передача ее другому телу, являющемуся охладителем (вспомним второй закон термодинамики – теплота не может переходить сама, без затраты работы, от более холодного тела к более нагретому).

Для охлаждения газов используют множество вариантов холодильных циклов, но все они являются модификациями трех основных.

Что же это за основные циклы?

1. С однократным дросселированием (цикл Линде) - высокого давления (18-22 МПа).

2. С дросселированием и расширением газа в расширительной машине (цикл Клода) – среднего давления (2-4 МПа).

3. Низкого давления (цикл Капицы)-(0,5-0,7 МПа).

Цикл назван именем профессора Мюнхенского университета Линде, который в 1895г. создал первый в мире промышленный ожижитель воздуха с применением дросселирования.

Рассмотрим схему процесса Линде и изображение его на T-S диаграмме (рис.24.1.).

Воздух при температуре Т₀ и давлении Р₀ (точка 1) сжимается в компрессоре до давления Р₂ = 18-20 МПа (180-200 атм). Теплота сжатия передается воде холодильников компрессора.

Температура воздуха после холодильника равна температуре до сжатия (в т.1), поэтому принимают, что сжатие воздуха осуществляется по изотерме 1-2.

После пуска установки сжатый воздух с давлением Р₂ поступает в дроссельный вентиль, дросселируется до давления Р₀ со снижением температуры с Т₀ до . Охлажденный воздух направляется в теплообменник для охлаждения следующей порции сжатого воздуха до температуры , близкой к температуре . После дросселирования порции воздуха с температурой (процесс 3^I-4^II) достигается более низкая температура . Воздух при этой температуре также используют для охлаждения сжатого воздуха перед дросселем до тем-

пературы . После дросселирования достигается еще более низкая температура и т.д.

Постепенно воздух охлаждается до температуры Т₃ и после дросселирования превращается во влажный пар (точка 4).

В отделителе жидкости насыщенный пар отделяется от жидкого воздуха, состояние которого соответствует точке 5. Пары в состоянии, характеризуемом точкой 6, направляются в противоточный теплообменник Т, где они охлаждают воздух высокого давления и нагреваются до температуры Т₇.

В идеальном случае выходящий из теплообменника воздух нагревается до той же температуры, при которой поступает сжатый воздух, т.е. Т₇=Т₂. В действительности Т₇. всегда меньше, т.к. теплоемкость сжатого охлаждаемого воздуха больше, чем теплоемкость обратного охлаждающего потока.

Запишем условия энергетического баланса для области, ограниченной на рисунке пунктиром, при условии, что в аппарат поступает 1 кг воздуха с энтальпией i₂, а выходит у кг жидкого воздуха с энтальпией i₅ и (1-у) кг воздуха с энтальпией i₇. Потерями, связанными с притоком тепла из окружающей среды, пренебрегаем.