Цикл высокого давления с однократным дросселированием

Технические процессы сжижения газов

Теоретические процессы сжижения газов (воздуха)

Лекция 16

Идеальный процесс конденсации газов, для которых Т _о.с» Т _кр, может быть проведен тремя методами. Нагляднее эти методы можно отобразить на T, s -диаграмме (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Теоретические процессы сжижения воздуха на

T, s -диаграмме:

а) 1-2-3 – охлаждением без предварительного сжатия;

б) 1-6-8-3 – охлаждением с предварительным сжатием (, – докритическое и сверхкритическое давления);

в) 1-11-3 – изотермным сжатием и адиабатным расширением;

Т _тт – температура тройной точки

Пусть начальное состояние воздуха соответствует условиям окружающей среды. На диаграмме это параметры в точке 1 (Т ₁ = Т _о.с @ 288 К; Р ₁ @ 0,1 МПа). Тогда, получение жидкого воздуха при том же давлении (в точке 3 Р ₃ = Р ₁) возможно следующими способами:

1) охлаждением воздуха без предварительного сжатия. В этом способе при неизменном давлении (Р ₁ = const) от воздуха отводится теплота (процесс 1-2). Температура снижается от Т _о.с до начала фазового перехода в точке 2. Теплота охлаждения отводится в окружающую среду какой-либо вспомогательной холодильной или криогенной установкой.

Если в области влажного пара и дальше отводить теплоту, то при неизменной температуре будет происходить конденсация воздуха – процесс 2-3. В конце этого процесса весь газ перейдет в жидкость с параметрами точки 3. Теплота конденсации q _к= i ₂– i ₃.

На весь переход от газа к жидкости количество теплоты, которое надо отвести от воздуха, будет q _ож = i ₁ – i ₃, а минимальная затраченная работа равна l _ож = e ₃– e ₁ (разность эксергий). Если воздух охлаждать дальше, то в точке 4 появится твердая фаза – шуга, а в точке 5 воздух полностью перейдет в твердое состояние;

2) сочетанием охлаждения с предварительным изотермическим сжатием. В этом процессе часть теплоты у газа отводится в процессе изотермического сжатия (процесс 1-6). Затем теплота отводится в изобарном процессе охлаждения (процесс 6-7).

Заметим, что если конечное давление изотермического сжатия меньше критического (< Р _кр, точка 6^’), то процесс сжижения будет аналогичен 1-му способу. Только конденсация будет протекать при температуре более высокой, чем при 1-м способе. И чем больше это давление, тем выше температура сжижения и меньше теплота конденсации q _к.

При > P _кр (конечная точка сжатия 6^”) сжижение наступает уже при достижении критической температуры Т _кр (в точке 7^”) и в этом случае теплота конденсации q _к = 0. При дальнейшем изобарном охлаждении в т. 9 появится шуга, а в т. 10 воздух перейдет в твердое состояние (линия 9-10 лежит на линии 4-5, т.е. при Т _тт);

3) изотермическим сжатием с последующим адиабатным расширением до конечного давления Р _о.с. Из диаграммы видно, что чем выше давление предварительного (изотермического) сжатия, тем большую долю теплоты сжижения q _ож можно отвести при температуре окружающей среды Т _о.с.

Можно представить себе такой процесс, когда вся теплота q _ож отводится при Т _о.с. Для этого газ изотермически необходимо сжать до такого давления Р ₁₁ (процесс 1-11), чтобы при адиабатном его расширении до Р _о.с получить жидкость с параметрами точки 3 (процесс 11-3).

Чтобы получить твердую фазу, газ необходимо сжимать до давления Р ₁₂, с тем, чтобы при адиабатном расширении получить параметры точки 10 (точка 5).

В этом способе вся работа сжижения l _ож= e ₃ - e ₁ = e ₁₁ - e ₁ идет только на сжатие воздуха. Но чтобы реализовать этот метод, нужны сверхвысокие давления. Для воздуха, например, это давление превышает 45 ГН/м²

(45000 МПа), что реализовать нереально. Поэтому для воздуха такой метод неприменим.

Этот способ сжижения применяется для тех газов, у которых Т _кр близка Т _о.с (например, СО₂), т.е. в установках, работающих в области холодильной техники (а не криогеники).

На практике используются 1-й и 2-й способы сжижения.

В 1-м – нужны дополнительные холодильные устройства и поэтому это, как правило, малопроизводительные лабораторные или полупромышленные установки.

Все промышленные установки по сжижению воздуха работают по 2-му способу, т.е. сжижение осуществляется охлаждением с предварительным сжатием. В качестве охладителя используется часть сжиженного газа, хотя могут использоваться и вспомогательные холодильные машины.

Теоретически суммарная работа сжижения во всех трех случаях одинакова (при одинаковых начальных и конечных параметрах воздуха). Это теоретически минимальная работа l _мин. Наиболее удобно ее определять как разность эксергий воздуха при конечных параметрах: l _мин = e ₃- e ₁. Сравнивая эту работу с затратами энергии в реальных установках, можно оценить их эффективность.

Эксергии вычисляются по известным соотношениям [1], кДж/кг:

; (2.7)

, (2.8)

где Т _о.с, i _о.с, s _о.с – температура, энтальпия, энтропия воздуха, определяются по параметрам на входе в установку; i₃, s₃ – энтальпия и энтропия готового продукта определяется по параметрам сжиженного воздуха с помощью таблиц или диаграмм [3].

Схема такой установки и процесс сжижения воздуха в ней предложены К. Линде[2]. Схема установки и ее рабочий процесс представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема установки К. Линде и ее квазицикл в T, s -диаграмме: I – компрессор; II – холодильник; III – регенеративный теплообменник; IV – дроссель; V – отделитель жидкости;

m – индекс высокого давления; n – индекс низкого давления

Отличием L -системы от R -системы является отвод сжиженного газа. Система становится открытой и в ней вместо цикла осуществляется квазицикл. Потоки m и n (высокого и низкого давления) становятся неравными.

Работа установки от момента пуска протекает следующим образом.

Атмосферный воздух сжимается в компрессоре I от начального давления P_n до давления P_m = 10–22 МПа и охлаждается в холодильнике II до температуры Т ₂ = Т ₁= Т _о.с. Затем он проходит теплообменник III (при пуске Т ₂ = Т ₃) и дросселируется (процесс 2-4¢). При этом температура воздуха снижается с Т ₂ до . Весь охлажденный воздух с давлением P_n подается в ТО III, где он охлаждает последующую (уже встречную) порцию сжатого воздуха до температуры (точка 3¢, где на величину температурного напора в теплообменнике).

Далее уже этот воздух дросселируется и охлаждается до температуры . Он, в свою очередь, охлаждает следующую порцию сжатого воздуха до температуры и т.д.

Через некоторое время устанавливается стационарность (равновесие) процесса. Воздух за ТО будет иметь температуру Т ₃ и при дросселировании превращается во влажный пар с параметрами точки 4. В отделителе жидкости V насыщенный пар с параметрами точки 6 отделяется от капелек жидкости. Жидкий воздух с параметрами точки 5, в количестве y кг, выводится из установки как конечный продукт.

Холодный воздух (насыщенный пар с параметрами точки 6) охлаждает в ТО встречный поток сжатого воздуха и с параметрами точки 7 покидает установку. Обычно он снова подается на вход в компрессор.

Количество сжижевшегося воздуха может быть определено по диаграмме (правило рычага):

. (3.1)

Производительность установки по жидкому воздуху можно вычислить из энергетического баланса установки.

Примем производительность компрессора за 1 (1 кг). Тогда в ТО аппарат входит 1 кг воздуха с энтальпией i ₂ (после изотермического сжатия). Теплоприток извне (через теплоизоляцию) обозначим – q _из. Тепловой баланс установки (для расчетного контура) в таком случае может быть представлен соотношением:

, (3.2)

откуда или , кг. (3.3)

Видно, что производительность установки тем выше, чем больше числитель выражения (3.3), т.е. чем больше разность энтальпий i ₇ – i ₂ и меньше теплоприток q _из.

Примечание: при y = 0 сжижительная установка превращается в криорефрижератор (R -система, с замкнутым циклом), где вся холодопроизводительность тратится на компенсацию теплопритока через изоляцию.

Разность величин i ₁– i ₇ = D i _н называют недорекуперацией. Отсюда i ₇ = i ₁–D i _н. Разность i ₁– i ₂ = D i _т – называют изотермным дроссельэффектом (см. формулу (2.3)).

Подставив эти величины в равенство (3.3) получим расчетное соотношение для производительности установки:

, (3.4)

где i ₁– i ₅ = q _ож – теплота сжижения. Очевидно, что производительность установки тем выше, чем больше изотермный дроссельэффект, меньше недорекуперация и теплоприток извне. (Так как числитель меньше знаменателя, то вычитание D i _н ведет к уменьшению дроби.)

Эффективность работы сжижительной установки оценивается эксергетическим КПД, который представляет собой отношение минимальной работы сжижения l _мин = y (e ₅– e ₁) = l _сж× y к действительно затраченной работе в установке l _дей:

, (3.5)

где h_из.к, h_э.м.к – изотермический и электромеханический КПД компрессора; – суммарные удельные потери энергии в процессе сжатия. Тогда КПД установки можно представить выражением

. (3.6)

В современных компрессорах (особенно в малых) потери S d _к велики и составляют от 40 до 85 % подводимой мощности. Достаточно велики потери эксергии в дросселе криоблока (до 30 – 40 %). Потери от недорекуперации обычно невелики (до 11 %) и в ряде случаев при расчетах ими можно пренебречь.

Суммарный КПД таких воздухосжижительных установок не превышает 15 %, и, как правило, составляет примерно 6–10 %. Для уменьшения потерь в дросселях их иногда заменяют дроссельно-эжекторной системой. Это позволяет повысить КПД примерно на 3 %.