Энергетический баланс отдельных ступеней охлаждения

Каждая криогенная установка имеет в своей основе низкотемпературный термодинамический цикл, представляющий собой совокупность различных процессов. Для термомеханической системы такими процессами обычно являются: сжатие, теплообмен, расширение. Криогенная установка обеспечивает необходимый эффект (охлаждение, термостатирование, ожижение) в результате последовательной реализации этих простых процессов. Конструированию и разработке криогенной установки обычно предшествует выбор термодинамического цикла и его расчет.

В задачи расчета цикла входят определение потоков теплоты и массы рабочего вещества, а также определение параметров состояния во всех характерных точках. При расчете цикла многие исходные данные обычно приходится выбирать заранее, в частности, КПД машин, давления потоков, температуры, теплопритоки из окружающей среды, гидравлические потери и др. В итоге расчета выбранные и найденные параметры криогенной установки должны удовлетворять оптимальным значениям тех или иных показателей эффективности. Несмотря на многочисленность и разнообразие криогенных циклов, их расчет можно построить на едином подходе к самым различным вариантам, на единой методологической основе.

Сущность такого метода состоит в том, что любой сложный цикл можно представить как последовательную совокупность отдельных ступеней охлаждения. На каждой ступени осуществляется какой-либо процесс охлаждения, обеспечивающий функционирование ступени и цикла в целом. Чаще всего используют такие процессы, как дросселирование, расширение в детандере, их сочетание, а также внешнее охлаждение (ожиженным хладагентом или с помощью отдельного холодильного цикла).

Несмотря на разнообразие криогенных циклов число вариантов компоновки их ступеней сравнительно невелико. Очевидно, что для построения общего метода расчета нужно получить формулы, позволяющие определять все расчетные характеристики для отдельных типовых ступеней. Формулы для вычисления потоков теплоты и массы обычно получают из уравнений энергетического и материального баланса для отдельных ступеней охлаждения.

Метод энергетического баланса широко применяют при расчете криогенных установок и систем. Он базируется на фундаментальном физическом принципе сохранения энергии.

,                (64)

где  − работа механическая, затраченная или полученная системой;   − масса (массовый расход) газа i -о потока, поступающего в систему или покидающего ее;   − удельная энтальпия i -о потока; − поток теплоты, получаемый или теряемый системой.

Уравнение энергетического баланса обычно составляют, приняв за единицу поток, вводимый в цикл (поступающий из компрессора), т.е. . Этот прием является наиболее общим для ожижительных, рефрижераторных и газоразделительных циклов.