Лекция 17. Схема и квазицикл установки низкого давления с расширением в турбодетандере (процесс П.Л

Схема и квазицикл установки низкого давления с расширением в турбодетандере (процесс П.Л. Капицы)

Схема и квазицикл установки высокого давления

(процесс П. Гейландта)

Расчеты воздухосжижительных установок с детандерами в СПО показывают, что для достижения максимальных КПД во всех вариантах параметров необходимо поддерживать оптимальное соотношение между давлением цикла (P_m) и температурой воздуха перед детандером (Т ₈).

Чем выше применяемое давление, тем выше должна быть температура Т ₈ и меньше доля отводимого на детандер воздуха М. Например, при P_m ³ 20 МПа в детандер следует отводить воздух с T ₈ > 273 K и М £ 0,5.

Эту особенность заметил немецкий физик П. Гейландт. Это позволило ему в 1906 г. создать высокоэффективную установку с детандером высокого давления. Преимущество этой установки в том, что детандер работает при сравнительно высоких температурах и не требует сложной конструкции и теплоизоляции.

Схема и квазицикл такой установки приведены на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема и квазицикл воздухосжижительной установки высокого давления с высокотемпературным детандером (процесс П. Гейландта)

Рабочий процесс в этой установке протекает аналогично установке Клода: 1-2 – изотермическое сжатие; 8-10 – расширение части воздуха (М, кг) в детандере; 8-3 – охлаждение остальной части воздуха (1- М, кг) в теплообменниках СПО; 3-4 – дросселирование с P_m до P_n; 4-5-6 – сепарация влажного пара (воздуха); 6-11 – подогрев паров (воздуха) в ТО IV; 10-11 – смешивание потоков; 11-7 – регенеративный подогрев уходящего воздуха в ТО III.

Расчет производительности и КПД установки осуществляется по тем же формулам (3.10) и (3.11), с учетом изменения индексов в характерных точках схемы.

Если в установке Клода-Гейландта уменьшать давление сжатия P_m, то снижается и оптимальная температура начала расширения в детандере Т ₈. В пределе Т ₈ можно снижать до тех пор, пока воздух в конце расширения не достигнет границы насыщения, т.е. температуры Т ₆.

При этом оптимальное давление P_m снизится для воздуха до 0,6–0,8 МПа. Это давление легко достижимо даже в турбокомпрессорах. Оптимальное количество воздуха, пропускаемого через детандер (М), достигает значений 92-95 % общего расхода воздуха через компрессор.

Однако реализовать такой цикл стало возможным только в 1938 г., когда академиком П.Л. Капицей был создан высокоэффективный турбодетандер с адиабатным КПД равным 0,8–0,86, надежно работающий в области близкой к кривой насыщения.

На базе этих турбодетандеров в 1943 г. были созданы первые высокопроизводительные воздухосжижительные установки (см. рис. 3.5).

Рис. 3.5. Схема и квазицикл воздухосжижительной установки низкого давления с турбодетандером (процесс П.Л. Капицы[3]):

I – турбокомпрессор; II – холодильник; III – регенеративный теплообменник СПО; IV – теплообменник-ожижитель СПО; V – дроссель (СОО); VI – сепаратор; VII – турбодетандер

Рабочие процессы в установке Капицы аналогичны предыдущим:

1-2 – изотермическое сжатие; 2-8 – охлаждение в регенераторе; в точке 8 – разделение потоков (в детандер М»92–95 %); 8-9 – расширение в детандере; 8-3 – охлаждение и сжижение оставшейся части (1- М) воздуха; 3-4 - дросселирование этого воздуха; 4-5-6 – разделение фаз; 6-10-7 – подогрев сбрасываемого воздуха.

Достоинства установки П.Л. Капицы:

1. Применение турбомашин позволяет создавать установки практически любой производительности.

2. Установка получается компактной, надежной, с малой металлоемкостью, хорошо уравновешенной, следовательно, более дешевой.

3. Получается абсолютно чистый воздух, без следов смазочных масел.

4. Применение низкого давления (0,5-0,7 МПа) позволяет использовать вместо рекуперативных теплообменников более эффективные теплообменники регенеративного типа.

5. Высокий КПД отдельных аппаратов и агрегатов.

Недостаток: увеличивается расход энергии на 1 кг сжиженного воздуха, так как возрастает общее количество перерабатываемого воздуха. Таким образом, удельный расход энергии в этой установке больше, чем в установках Клода и Гейландта, но с увеличением производительности их показатели сближаются. КПД установки Капицы равен примерно 13–14 %.

Достоинства и недостатки циклов высокого, среднего и низкого давлений позволили создать высокоэффективные комбинированные установки. В них используются многоступенчатое охлаждение и агрегаты с высокими КПД. В настоящее время именно такие схемы приняты при создании крупных установок с большой производительностью. Они довольно разнообразны и серийно выпускаются отечественной промышленностью [2].