Дросселированием и предварительным охлаждением

Трехступенчатый цикл с внешним охлаждением жидким криоагентом, расширением части потока в детандере и дросселированием широко используют в ожижительных и рефрижераторных криогенных установках, главным образом гелиевых. Примененный впервые П.Л. Капицей в 1934 г. для гелиевого ожижителя с детандером, этот цикл явился прототипом целой группы подобных криогенных установок. Схема цикла и его изображение в диаграмме Т− s представлены на рис. 30. Схему с небольшими изменениями используют как в ожижительном (q_x = 0), так и в рефрижераторном (х = 0) варианте.

Ожижительный режим. Прямой поток в количестве 1 кг поступает из компрессора К в теплообменник T 1, где охлаждается обратным потоком до температуры T ₃, затем дополнительно до T ₄ в ванне В жидкостью G_o. Далее прямой поток охлаждается в теплообменнике Т2, после чего в точке 5 разветвляется на две части. Одна часть (D ₂) идет в детандер Д, где расширяется до давления р ₁ (точка 10'), понижая температуру и энтальпию, затем смешивается с обратным потоком, обеспечивая необходимую холодопроизводительность на этой ступени.

Другая часть (D ₃) охлаждается в теплообменнике ТЗ до температуры Т₆, поступает в дроссельную ступень, пройдя теплообменник Т4, дросселируется в сосуд С до давления р₁ и при этом частично ожижается (процесс 7−8). Жидкость х выводится из цикла, обратный поток (D ₃ − х) возвращается через теплообменник Т4, в точке 10' соединяется с потоком из детандера Д. Общий поток (1 – х) проходит теплообменники, подогревается до температуры Т _{1 ’} и возвращается в компрессор. Дополнительно в компрессор поступает поток х, равный количеству отведенной жидкости.

Рис. 30. Цикл с расширением в детандере, дросселированием

и предварительным охлаждением:

а) схема; б) диаграмма T − s

Расчетные формулы для цикла можно записать на основе уравнений энергетического баланса.

                                        (107)

Решение системы этих уравнений позволяет определить следующие искомые величины: коэффициент ожижения х, потоки ,   и . Энтальпии потоков, дроссель-эффекты ∆ h_T и перепад энтальпий в детандере  определяют по термодинамическим диаграммам.

При ожижении гелия в качестве криоагента для внешнего охлаждения , как правило, применяют азот (Т _п » 80 К). Теплоприток на каждой ступени q _с составляет 3¸5 % от эффекта охлаждения. Неполноту рекуперации на различных ступенях можно оценить по линейной зависимости ∆ T_i = aT_i. При а = 0,05,
∆ T ₁= 0,05×300 = 15 К; ∆ T ₂ = 0,05×80 = 4 К; ∆ T ₃ = 0,05×10 = 0,5 К.

Наиболее выгодное значение р ₂ = 2 ¸ 2,5 МПа.

Удельная работа цикла составит:

.                                          (108)

Энергия, возвращаемая детандером (), мала, и, как правило, ее не учитывают. Эта схема цикла применительно к ожижению водорода описывается той же системой уравнений (107), при этом Т ₆ = 50 ¸ 60 К.

Рефрижераторный режим. Для такого варианта цикла х = 0; обратный поток в теплообменнике Т4 равен D ₃(в остальных теплообменниках 1 кг). Полезная холодопроизводительность q_x реализуется при подводе теплоты от охлаждаемого объекта к сосуду Сс температурой жидкого гелия Т_х. При расчете потоков используют формулы теплового и материального баланса.

                                        (109)

Решением этой системы находят тепловую нагрузку  и потоки ,   и . Все рекомендации по выбору значений р ₂, Т ₆, ∆ T_i, q_ci и других характеристик аналогичны приведенным для ожижительного варианта цикла.

Расчет завершают определением параметров в характерных точках цикла, которые находят из уравнений теплового баланса теплообменных аппаратов.

 

Контрольные вопросы и задания:

1. Изобразите схему цикла с простым дросселированием и его процессы в T − sкоординатах.

2. Как определяются основные характеристики цикла с простым дросселированием?

3. Изобразите схему цикла с предварительным охлаждением и дросселированием, его процессы в T − sкоординатах.

4. Как определяются основные характеристики цикла с предварительным охлаждением и дросселированием?

5. Изобразите схему цикла с двойным дросселированием и циркуляцией части потока и его процессы в T − sкоординатах.

6. Как определяются основные характеристики с двойным дросселированием и циркуляцией части потока?

7. Изобразите схему цикла с двойным дросселированием и циркуляцией части потока и его процессы в T – sкоординатах.

8. Как определяются основные характеристики с двойным дросселированием и циркуляцией части потока?

9. Изобразите схему цикла с двойным дросселированием и предварительным охлаждением и его процессы в T−s координатах.

10. Как определяются основные характеристики цикла с двойным дросселированием и предварительным охлаждением?

11. Изобразите схему цикла Клода и его процессы в T−s координатах.

12. Как определяются основные характеристики цикла Клода?

13. Изобразите схему цикла Гейляндта и его процессы в T−s координатах.

14. Как определяются основные характеристики цикла Гейляндта?

15. Изобразите схему цикла Капицы и его процессы в T−s координатах.

16. Как определяются основные характеристики цикла Капицы?

17. Изобразите схему цикла Гейляндта и его процессы в T−s координатах.

18. Как определяются основные характеристики цикла Гейляндта?

19. Изобразите схему цикла с расширением в детандере, дросселированием и предварительным охлаждением и его процессы в T−s координатах.

20. Как определяются основные характеристики цикла с расширением в детандере, дросселированием и предварительным охлаждением?