Если в установке Клода-Гейландта уменьшать давление сжатия Pm, то снижается и оптимальная температура начала расширения в детандере Т 8. В пределе можно Т 8 снижать до тех пор, пока воздух в конце расширения не достигнет границы насыщения, т.е. температуры Т 6.
При этом оптимальное давление Pm снизится для воздуха до 0,6-0,8 МПа. Это давление легко достижимо даже в турбокомпрессорах. Оптимальное количество воздуха, пропускаемого через детандер (М), достигает значений 92-95 % общего расхода воздуха через компрессор.
Однако реализовать такой цикл стало возможным только в 1938 г., когда академиком П.Л. Капицей был создан высокоэффективный турбодетандер с адиабатным КПД равным 0,8-0,86, надежно работающий в области близкой к кривой насыщения.
На базе этих турбодетандеров в 1943 г. были созданы первые высокопроизводительные воздухосжижительные установки (см. рис.3.5).
Рис.3.5. Схема и квазицикл воздухосжижительной установки низкого давления с турбодетандером (процесс П.Л. Капицы[2]):
I - турбокомпрессор; II – холодильник; III – регенеративный теплообменник СПО; IV – теплообменник-ожижитель СПО; V – дроссель (СОО); VI – сепаратор; VII – турбодетандер
Рабочие процессы в установке Капицы аналогичны предыдущим:
1-2 – изотермическое сжатие; 2-8 – охлаждение в регенераторе; в т.8 – разделение потоков (в детандер М»92-95 %); 8-9 – расширение в детандере; 8-3 – охлаждение и сжижение оставшейся части (1- М) воздуха; 3-4 - дросселирование этого воздуха; 4-5-6 – разделение фаз; 6-10-7 – подогрев сбрасываемого воздуха.
Преимущества установки Капицы:
1. Применение турбомашин позволяет создавать установки практически любой производительности;
2. Установка получается компактной, надежной, с малой металлоемкостью, хорошо уравновешенной, следовательно, более дешевой;
3. Получается абсолютно чистый воздух, без следов смазочных масел;
4. Применение низкого давления (0,5-0,7 МПа) позволяет использовать вместо рекуперативных теплообменников более эффективные теплообменники регенеративного типа;
5. Высокий КПД отдельных аппаратов и агрегатов.
Недостаток: увеличивается расход энергии на 1 кг сжиженного воздуха, т.к. возрастает общее количество перерабатываемого воздуха. Таким образом удельный расход энергии в этой установке больше, чем в установках Клода и Гейландта, но с увеличением производительности их показатели сближаются. КПД установки Капицы равен примерно 13-14 %.
Достоинства и недостатки циклов высокого, среднего и низкого давлений позволили создать высокоэффективные комбинированные установки. В них используются многоступенчатое охлаждение и агрегаты с высокими КПД. В настоящее время именно такие схемы приняты при создании крупных установок с большой производительностью. Они довольно разнообразны и серийно выпускаются отечественной промышленностью [2].
Технические процессы низкотемпературного разделения газовых смесей
