Газовые холодильные машины (ГХМ) относятся к классу поршневых. Характерной особенностью ГХМ является то, что изменяющиеся объемы полостей расширения и сжатия постоянно гидравлически связаны с объемами теплообменных аппаратов.
В теплообменных аппаратах ГХМ производится регенерация теплоты, подвод и отвод теплоты от рабочего газа машины к внешним тепловым источникам. Блок теплообменных аппаратов состоит из аппаратов внешнего теплообмена и регенераторов. Аппараты внешнего теплообмена предназначены для связи рабочего вещества с внешними источниками теплоты.
Регенератор в ГХМ является обязательным элементом и играет роль теплового аккумулятора, который попеременно получает и отдает теплоту, протекающую через аппарат, рабочему веществу.
Принцип действия ГХМ рассмотрим на примере машины Стирлинга. В замкнутом цикле Стирлинга рабочее тело совершает круговой процесс, состоящий из двух изохор и двух изотерм (рис. 31). Теплота отводится из цикла в окружающую среду при температуре Т 0в процессе сжатия, а теплота от охлаждаемого тела передается в цикл при температуре Т в процессе расширения. Регенерация теплоты в цикле осуществляется теоретически в процессе v = const.
Машина имеет цилиндр с двумя противоположно расположенными поршнями 1 и 7. Между поршнями расположены теплообменник нагрузки 3, регенератор 4 и холодильник 5. Объем 2, расположенный между левым поршнем 1 и теплообменником нагрузки 3, называют полостью расширения или детандерной полостью V Д. Объем 6 между холодильником 5 и торцом правого поршня 7 называют полостью сжатия или компрессорной полостью V К. При перемещении поршней 1 и 7 объемы рабочих полостей V Д и V К изменяются от своих минимальных значений до соответственно максимальных V 0Ди V 0К. При этом газ постоянно течет в том или другом направлении в холодильнике 5, регенераторе 4 и теплообменнике-нагрузке 3. В первом аппарате газ непрерывно взаимодействует с источником высокой температуры; во втором − с насадкой регенератора и в третьем − с источником низкой температуры Тх.
Рассмотрим рабочий цикл машины. Предположим, что в начале цикла компрессорный и детандерный поршни 7 и 1 находятся в крайнем правом положении. В этом случае рабочее тело находится в основном в компрессорной полости и блоке теплообменных аппаратов. Объем рабочего тела − максимальный.
 а)
|
|
| б)
|
в)Рис. 31. Обратный цикл Стирлинга. Принципиальная схема машины Стирлинга и реализация рабочего цикла:
а) положение поршней в основных точках цикла; б) диаграмма «время – перемещение − объем»; в) изображение цикла в координатах p− v и Т− s
Фаза 1. Во время процесса сжатия 1−2 компрессорный поршень 7 движется влево, а детандерный поршень 1 остается неподвижным.
Фаза 2. Рабочее тело сжимается в компрессорной полости 6, давление газа увеличивается, а теплота сжатия Q K отводится от рабочего тела в холодильнике 5 в окружающую среду.
Фаза 3. В процессе 2−3 оба поршня движутся одновременно таким образом, что объем между ними остается постоянным. При переталкивании из компрессорной в детандерную полость рабочий газ охлаждается в холодильнике 5 и далее в регенераторе 4.
Фаза 4. В процессе расширения 3−4 детандерный поршень 1 продолжает свое движение влево, объем расширительной полости увеличивается и достигает максимальной величины; компрессорный поршень остается неподвижным. С увеличением объема в системе происходит уменьшение давления и температуры рабочего вещества.
Фаза 5. Замыкающим процессом цикла является процесс 4−1, во время которого поршни синхронно перемещаются вправо, переталкивая рабочий газ из полости расширения в компрессорную полость при постоянном объеме. При прохождении рабочего вещества через теплообменник нагрузки 3 к нему подводится теплота Qx от внешнего теплового источника Тх, от источника низкой температуры (ИНТ). При прохождении через пористую насадку регенератора рабочий газ нагревается, отнимая теплоту, аккумулированную насадкой во время процесса 2−3, и достигает уровня температуры T 0 т .
Для получения криогенных температур необходимо обеспечить прерывистое перемещение поршней и провести следующие процессы: изотермическое сжатие с отводом теплоты к тепловому источнику с источником высокой температуры (ИВТ), охлаждение газа при неизменном объеме до Тх; расширение газа с подводом теплоты от ИНТ с температурой Тх и нагрев газа при постоянном объеме от Тх до Т ос. Таким образом, цикл Стирлинга осуществляется в одном объеме газа, который поочередно связывают с тепловыми источниками разной температуры. На практике в машине Стирлинга прерывистое движение поршней заменяется непрерывным, т.к. первое сопряжено с созданием сложной конструкции приводов поршней.
Колебания поршней осуществляются по гармоническому закону. Движение детандерного и компрессорного поршня сдвинуты по фазе на угол b.
В конструктивном отношении для холодильных машин такого типа характерны следующие схемы:
× с двумя рабочими поршнями (под рабочим подразумевается поршень, нагруженный силами давления) (рис. 32, а);
× с одним рабочим поршнем и поршнем-вытеснителем, разгруженным в идеальной машине от сил давления (рис. 32, б −г);
× с одним рабочим поршнем и подвижным регенератором, играющим одновременно роль вытеснителя (рис. 32, г).
В машинах с вытеснителем и вытеснителем-регенератором рабочий поршень и вытеснитель могут быть расположены соосно в одном цилиндре (рис. 32, в) или в разных цилиндрах (рис. 32, г).
|
| Рис. 32. Схемы (а −г) и диаграммы (д) газовых холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга: а) с двумя рабочими (нагруженными) поршнями; б) с одним рабочим поршнем и поршнем−вытеснителем (с двумя цилиндрами); в) с одним рабочим поршнем и поршнем−вытеснителем, расположенными соосно; г) с одним рабочим поршнем и перемещающимся регенератором−вытеснителем; 1 − компрессорный, или рабочий поршень; 2 − водяной (или воздушный) холодильник; 3 − регенератор; 4 − детандерный поршень, или вытеснитель; 5 − теплообменник для снятия нагрузки (охладитель) |
Газовые холодильные машины получили широкое применение благодаря компактности и эффективности. Циклы газовых холодильных машин используют в так называемой микрокриогенной технике. Кроме цикла Стирлинга, в криогенных газовых машинах используются циклы Эриксона, Гиффорда – Мак − Магона, Велюме − Танониса.
Контрольные вопросы и задания:
1. Какие основные элементы должны входить в установку, работающую по обратному циклу Стирлинга?
2. Объясните принцип действия газовой холодильной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга.
3. Приведите принципиальные конструктивные схемы криогенных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга.
4. Какие циклы, кроме цикла Стирлинга, используются в криогенных газовых машинах?
Разделение газовых смесей
Известны разные способы разделения смесей на составные части: кипение, конденсация, дефлегмация, ректификация, адсорбция, при помощи полупроницаемых перегородок и др. В низкотемпературных установках наиболее часто применяют процессы ректификации и адсорбции.
Сырьем в газоразделительных установках являются различные газовые смеси, такие, как воздух, природный газ, нефтяной газ и др. Большая часть смесей содержит много компонентов (например, воздух представляет собой смесь газов), но для упрощения расчета разделительных аппаратов многокомпонентные смеси иногда рассматривают как более простые системы, состоящие из двух, трех или четырех компонентов. Так, основными компонентами воздуха являются азот и кислород, поэтому в ряде случаев воздух условно рассматривают как бинарную систему, состоящую из 20,9 % О2 и 79,1 % N2, относя к последнему аргон. При точных расчетах разделительных аппаратов и, конечно, при получении из воздуха аргона, азота и кислорода воздух рассматривают как тройную систему О2−Аr−N2. Это тем более необходимо, что в отдельных сечениях аппарата молярная доля аргона в смеси может достигать 15−20 %. При расчете аппаратов для получения криптонового концентрата разделяемую смесь обычно рассматривают как бинарную, состоящую из кислорода и криптона, условно относя к последнему ксенон. Можно привести и другие примеры.
Состав смеси выражают молярными долями компонентов, которые определяют по формуле (41). Для бинарной смеси достаточно указать молярную долю одного компонента. Молярную долю второго компонента можно рассчитать по формуле (42). При этом первый компонент с более высокой температурой кипения называют высококипящим, второй компонент − низкокипящим. Содержание низкокипящего компонента в бинарной смеси х и y соответствует молярной доле низкокипящего компонента в жидкой и паровой фазах. При составлении уравнений материальных балансов аппаратов по низкокипящему компоненту все члены, соответствующие молярным потокам, следует умножать на молярную долю только низкокипящего компонента в смеси (аналогичному правилу необходимо следовать и для высококипящего компонента).
