Ожижитель Линде

Структура ожижителей газов

ОЖИЖИТЕЛИ ГАЗОВ

Процессы, связанные с ожижением газов, принадлежат к числу весьма энергоемких. Так, например, электрическая мощность установки производительностью 1 т/ч составляет для жидкого кислорода 1200 … 1500 кВт. Эксергетический КПД таких процессов превышает 20 … 25%, т. е. расход энергии в 4 -5 раз больше соответствующей идеальной работы.

Характерной особенностью ожижителей в отличие от рефрижераторов является то, что это всегда открытые термодинамические системы. В таких системах вместо цикла совершается квазицикл.

Независимо от видовых особенностей, структура ожижителей состоит из ступеней одинакового назначения:

Ступень подготовки рабочего тела (СПТ)предназначена для изотермического сжатия рабочего тела при температуре окружающей среды. Это сжатие может производиться как в одной ступени компрессора, так и в нескольких последовательно включенных ступенях с промежуточным водяным или воздушным охлаждением.

На ступени предварительного охлаждения (СПО) рабочее тело предварительно охлаждается в регенеративном теплообменнике обратным потоком охлажденного рабочего тела.

Ступень основного охлаждения (СОО)обеспечивает ожижение рабочего тела. Основными вариантами СОО являются два: дроссельный и детандерный. Первый из них отличается высоким удельным расходом электроэнергии и применяется в установках малой производительности. Значительно экономичнее вариант с расширением воздуха в детандере.

Ступень использования охлаждения (СИО)включает сепаратор, позволяющий выводить из установки ожиженное рабочее тело, а пар возвращать в систему.

СхемаожижителясдроссельнойСОО,предложенногоК. Линде, приведена на рис. 7.1. Квазицикл ожижителя на Т, s -диаграмме изображен на рис. 7.2.

Воздух при температуре, близкой к температуре окружающей среды Т ос, и низком давлении рп = 0,1 МПа поступает в компрессор I, где его давление повышается до рm > рп и охлаждается в охладителе II до первоначальной температуры. При этом в окружающую среду отводится теплота Q ос. Далее осуществляется регенерация теплоты в теплообменнике III и воздух подается к дроссельному вентилю IV. Ожиженный воздух из отделителя жидкости V отводится на ректификацию. Оставшийся воздух в состоянии сухого насыщенного пара с температурой Т 6 проходит обратным потоком через регенеративный теплообменник, где нагревается до температуры Т 7 и выводится в окружающую среду.

В первый момент пуска сжатый воздух дросселируется в вентиле до давления рп и его температура снижается до Т 4'. Охлажденный воздух через отделитель жидкости, из которого жидкость еще не выводится (она еще не образовалась), поступает в регенеративный теплообменник, в котором нагревается, охлаждая следующую порцию воздуха до температуры Т 3', близкой к Т 4'. Воздух с этой температурой так же используют для охлаждения сжатого воздуха перед дросселем до Т 3'', тогда после дросселирования достигается еще более низкая температура Т 4''' и т. д. Через некоторое время воздух охладится настолько, что дросселирование будет заканчиваться в области влажного пара при Т 4, после чего начинается вывод жидкого воздуха.

Как видно из рис. 7.1, прямой m и обратный п потоки становятся неравными. Если подачу компрессора принять за единицу, а долю выводимой жидкости – у, то прямой поток Gm = 1, а обратный Gn = 1 – у. Чтобы определить результаты этого неравенства потоков, составим энергетический баланс системы Линде:

h + q из= yh 5+(1– y) h 7, (7.1)

Рис 7.1.

Рис.7.2

где q из – удельная теплота, подводимая из окружающей среды через изоляцию; h 2, h 5, h 7 – энтальпия

Из уравнения энергетического баланса получаем

у =(h 7– h 2– q из)/(h 7– h 5). (7.2)

Для удобства анализа преобразуем выражение для у к следующему виду:

у =(Δ h –Δ h – q из)/(q ож–Δ h), (7.3)

где Δ h т = h 1 – h 2 - изотермический дроссель-эффект, определяемый количеством теплоты, которое надо отвести от рабочего тела, чтобы температура в конце процесса оставалась равной начальной; Δ h п = h 1 – h 7 - недорекуперация теплоты в регенеративном теплообменнике по сравнению с идеальным теплообменником; q ож = h 1 – h 5 - удельная теплота ожижения.

Нетрудно видеть, что при у = 0, когда жидкость из системы не выводится, установка превращается в рефрижератор, вся холодопроизводительность которого тратится на компенсацию теплопритоков через изоляцию.

Кроме того, количество получаемого ожиженного воздуха у на единицу газа, поступающего в СПТ, тем больше, чем больше изотермический дроссель-эффект Δ h т при температуре сжатого воздуха на входе в регенеративный теплообменник СПО.