Цикл с двойным дросселированием и циркуляцией части потока

В циклах с дросселированием улучшение показателей обеспечивают предварительным охлаждением и соответствующим увеличением дроссель-эффекта ∆ h _T. Существует другой способ улучшения этих характеристик l ₀, e и h _t − рациональным выбором давлений потоков и особой схемой организации цикла.

При получении жидкого криопродукта, который почти всегда используют при давлении окружающей среды, неизбежны дросселирование жидкости от давления р _к до атмосферного и частичная потеря жидкости. Для исключения этого одну часть газа дросселируют до более высокого (промежуточного) давления р _пр, а другую часть − до атмосферного давления р ₁.

Схема такого цикла и его изображение в диаграмме T − s приведены на рис. 25. Газ в количестве D ₂сжимается в компрессоре К1 в интервале давлений от р ₁до р _к = р _пр. В точке 2к нему присоединяется циркулирующий поток D ₁. Суммарный поток (D ₁ + D ₂= 1 ) сжимается в компрессоре К2 до высокого давления р ₂ (сжатие изотермическое). Весь поток в состоянии, соответствующем точке 3, поступает в теплообменник Т при температуре Т ₃,охлаждается до температуры T ₄ и дросселируется вентилем ДВ1 в сосуд С1 до промежуточного давления р _пр.

Рис. 25. Цикл с двойным дросселированием и циркуляцией части потока D 1 при промежуточном давлении: а) схема; б) диаграмма T− s

После этого часть D ₁потока р _пр возвращается через теплообменник Т в компрессор К2. Другая часть D ₂дросселируется вентилем ДВ2 до давления р ₁ в сосуд С2 (точки 7−8)и частично (в количестве х)ожижается, а оставшиеся пары (D ₂— х) подогреваются в теплообменнике Т и выводятся из цикла при температуре Т _1′. В сосуде С1 после первого дросселирования может образоваться парожидкостная смесь, если р _пр < р _к (рис. 25, б). Если р _пр > р _к, то изобара р _пр пройдет выше пограничной кривой и в сосуд С2 дросселируется газ. Циркулирующий при р _пр > р ₁поток D ₁ обеспечивает эффективный процесс охлаждения с более высоким коэффициентом e _T.

Особенность цикла состоит в том, что для него требуется два компрессора; в теплообменнике Т − два обратных потока D ₁и (D ₂— х), неполнота рекуперации соответственно − ∆ T _3−2′ и ∆ T _3−1′. Цикл − двухступенчатый. Первое дросселирование обеспечивает полезный эффект и компенсацию всех потерь в интервале температур от Т ₁до T ₅, второе − в интервале температур от Т ₅до T_f. Определим коэффициент ожижения из уравнения энергетического баланса для всего цикла в целом: h ₃ + q_c = D ₁ h _2′ + (D ₂ − х) h _1′ + xh_f. Преобразуем это уравнение с учетом, что D ₁ = 1 − D ₂. Заменив h _1′ = h ₁ − c_p ∆ T_3−1′и h _2′ = h ₂ — c_p ∆ T_3−2′, получим

.    (91)

Отсюда можно найти количество жидкости х.

,           (92)

где

Сумма   несколько меньше полного дроссель-эффекта , что приводит к некоторому уменьшению коэффициента х по сравнению с циклом, включающим простое дросселирование. Преимущество цикла состоит лишь в уменьшении работы, затрачиваемой на сжатие в обоих компрессорах.

.        (93)

Уменьшение потока   уменьшает работу , однако произвольно уменьшать   нельзя. Связь между ,   и х можно установить из уравнения теплового баланса теплообменника.

  (94)

Выражения (92), (94) и уравнение материального баланса  позволяют определить все потоки в цикле. Цикл можно использовать и в рефрижераторном варианте; тогда его холодопроизводительность определяется числителем формулы (92). Работа  зависит от потока   и промежуточного давления . Оптимальное промежуточное давление для воздуха   = 3 ¸ 5 МПа; значение   = 0,2 близко к минимально допускаемому. Двойное дросселирование примерно вдвое экономичнее простого дросселирования.

Предварительным охлаждением можно еще больше повысить экономичность цикла, его применяют в основном для водорода, который необходимо охладить до температуры ниже T _инв.