Цикл низкого давления с турбодетандером

Цикл впервые предложен академиком П.Л. Капицей. Для этого цикла П.Л. Капица создал высокоэффективный турбодетандер c h _s» 0,80 ¸ 0,85. Цикл осуществлен в 1937 г. в установке для ожижения воздуха, позднее − в установках для получения жидкого кислорода.

Схема цикла и процессы на диаграмме Т− s представлены на рис. 29.

Рис. 29. Цикл низкого давления установки с турбодетандером:

а)схема; б) диаграмма Т− s

Воздух (точка 1) сжимается в турбокомпрессоре К до давления 0,6−0,7 МПа, охлаждается в холодильнике X ипоступает в регенераторы Р (точка 2),где охлаждается (точка 3).Примем количество сжатого газа за единицу. Основное количество D газа направляется в турбодетандер ТД и расширяется (точка 4').Вторая часть газа (1 − D)охлаждается и конденсируется в теплообменнике-конденсаторе ТК (процесс 3−7−5'−5 на рис. 29).Жидкость (точка 5) дросселируется через вентиль ДВ и частично испаряется (точка 4). Жидкость в количестве х (состояние f)отводится из системы, а газ в количестве 1 – D – х смешивается с детандерным потоком и нагревается в теплообменнике−конденсаторе ТК (точка 6)и регенераторах (точка 1′). Температура воздуха перед турбодетандером должна быть такой чтобы воздух после расширения был перегрет на 1¸3 К по сравнению с насыщенным паром. Коэффициент ожижения х можно вычислить по уравнению (96), в котором D £ (1 – ах). Коэффициент (а = 1,1 ¸ 1,25) зависит от степени испарения жидкости при ее дросселировании.

,                                   (105)

где   −доля испарившейся при дросселировании жидкости.

Доля дроссельного потока

.                                        (106)

Эффективность цикла в ожижительной установке возрастает при увеличении доли детандерного потока и КПД детандера. Коэффициент ожижения
х» 5,8 % от количества сжатого газа при КПД h _s = 0,8; l ₀ » 5,76 МДж (1,60 кВт×ч)на 1 кг жидкого воздуха. При использовании турбомашин (компрессора и детандера) с высоким КПД и эффективных теплообменных аппаратов затрачиваемую работу можно уменьшить.

При низком давлении в установке можно использовать регенераторы, в которых воздух не только охлаждается, но осушается и очищается от СО₂. Кроме того, воздух не загрязняется парами масла, т.к. сжатие и расширение происходит в турбомашинах; имеются и другие технологические преимущества цикла низкого давления.

Под руководством академика П.Л. Капицы были разработаны и изготовлены несколько воздухоразделительных установок низкого давления; наиболее крупная установка была рассчитана на часовую производительность 1500 кг жидкого кислорода. Эти работы предопределили разработку и создание всех современных установок на основе цикла низкого давления с высокоэффективным турбодетандером, особенно установок для разделения воздуха и получения газообразных кислорода и азота.

Рассмотренные классические циклы с детандерами (рис. 27, 29) являются двухступенчатыми; их довольно широко применяют в технике ожижения и разделения воздуха. Для работы в области более низких температур, а именно для гелиевых и водородных криогенных систем, используют более сложные циклы с расширением газа в детандерах и дросселированием. Дальнейшее развитие классических схем идет по двум основным направлениям: применение предварительного охлаждения и увеличение числа детандеров, т.е. использование каскада детандеров. В результате формируют сложные многоступенчатые циклы, обеспечивающие достаточную эффективность при весьма низких температурах.