Учебный вопрос № 1. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере

Групповое занятие № 2. Холодильные циклы с расширением воздуха в детандерах

Холодильные циклы с расширением воздуха в детандере являются наиболее экономичными из всех циклов получения жидкого воздуха и характеризуются меньшей затратой энергии на получение 1 кг жидкого воздуха, в то же время обеспечивается наибольший выход жидкого воздуха по отношению к количеству перерабатываемого воздуха.

Поэтому данные циклы положены в основу работы всех современных газодобывающих станций, стоящих на вооружении ВВС.

Естественно, что данные циклы используются не в чистом виде, а в комплексе с дополнительными процессами, которые направлены на обеспечение максимальной экономичности циклов.

В воздухоразделительных установках для промышленного производства кислорода и азота используются различные холодильные циклы с расширением воздуха в детандере. Основные из них следующие:

цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере;

цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере;

цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы).

Схема цикла среднего давления с поршневым детандером изображена на рис. 1. Воздух сжимается в компрессоре 1 до абсолютного давления 0,2–0,4 Мпа и, пройдя через змеевик водяного холодильника 2, поступает в теплообменники 3 и 4. После теплообменника 3 часть воздуха (примерно 70–80 %) отводится в цилиндр поршневого детандера 6. Сжатый и охлажденный в предварительном теплообменнике 3 воздух, расширяясь до абсолютного давления 0,1 Мпа, толкает поршень детандера и, производя при этом внешнюю работу, сильно охлаждается.

После расширения и охлаждения в детандере воздух выводится наружу через теплообменники 4 и 3, охлаждая поступающий сжатый воздух. Часть сжатого воздуха, не прошедшая через детандер (примерно 20–30 %), поступает к дроссельному вентилю 5 и, сжижаясь после дросселирования, накапливается в сборнике 7, откуда сливается через вентиль 8. Несжижившаяся часть воздуха из сборника 7 направляется в теплообменники 4 и 3.

Количество холода, получаемое в цикле с детандером, зависит от давления сжатия, температуры и количества воздуха, направляемого в детандер. Чем меньше давление сжатия, тем более низкую температуру должен иметь воздух перед детандером и тем большее количество воздуха должно направляться в детандер.

Диаграмма S–Т для цикла среднего давления с детандером показана на рис. 2. Воздух, сжатый изотермически при Т1 по линии 1–2, охлаждается под давлением Р2 в теплообменнике 3 до температуры Т3. В точке 3 часть воздуха

70-80 % воздуха

20-30 % воздуха

Вода

Вода

100 % воздуха

Т6

0 5 6´ i0iх

Т

Т1

i2 i1

Т3

i3

4 Т4

6 6

7 Т0 6´´ i6

8 Энтропия S, ккал/(кг·град)

идет в детандер, где расширяется по линии 3–6 до давления Р4, охлаждаясь при этом до Т6. По линии 6–1 в теплообменниках, основном 4 и предварительном 3, происходит передача холода потоку сжатого воздуха от воздуха после детандера. Остальная часть сжатого воздуха по линии 3–4 охлаждается в основном теплообменнике и в точке 4 по линии 4–5 (i = const) дросселируется и сжижается, а затем выводится из сборника. Несжижившаяся часть воздуха отводится через теплообменники 4 и 3, где смешивается с воздухом из детандера, охлаждая сжатый воздух по линии 6–1.

Несмотря на то, что в цикле с детандером допустимы более низкие давления сжатия, чем в цикле с дросселированием, и, казалось бы, возможно получение жидкого воздуха весьма экономичным способом, тем не менее расход энергии на 1 кг перерабатываемого воздуха незначительно отличается от расхода в цикле с дросселированием и аммиачным охлаждением. Это объясняется тем, что в цикле с детандером возникают дополнительные потери холода в поршневом детандере и потери в результате неполного использования работы расширяющего в нем воздуха. Практически удельный расход энергии в цикле с детандером равен расходу энергии в цикле двух давлений с дросселированием и предварительным аммиачным охлаждением.

Разработан также цикл с последовательным расширением воздуха в двухступенчатом детандере. Такие циклы со ступенчатым расширением воздуха и использованием одного или нескольких детандеров иногда применяются в крупных установках для сжижения гелия.