Учебный вопрос № 1. Классификация циклов глубокого охлаждения

Для охлаждения и сжижения газов в технике используют холодильные циклы. Холодильным циклом называется замкнутый процесс последовательного сжатия и расширения газа, сопровождающийся его нагреванием и охлаждением.

На сжатие газа затрачивается внешняя механическая работа, которая частично отдается обратно при расширении газа. Во всяком холодильном цикле затрачиваемая работа всегда больше получаемой, так как отнятие теплоты от охлаждаемого тела происходит на более низком температурном уровне, чем передача ее другому телу, являющемуся охладителем.

Перенос теплоты с одного температурного уровня на другой, более высокий, осуществляется с помощью какого-либо рабочего тела. В циклах сжижения воздуха таким рабочим газом (хладоагентом) обычно является тот же воздух. В качестве вспомогательныххладоагентов применяются иногда аммиак или фреон.

В холодильном цикле работа расходуется на сжатие хладоагента в компрессоре. Холодильный цикл замкнут, если начальное и конечное состояние газа в нем совпадают. Для этого отдельные процессы, из которых составляется цикл, должны протекать в определенном порядке. Например, после сжатия газа (в компрессоре) и охлаждения (в водяном холодильнике) должно происходить расширение газа, сопровождающееся понижением его температуры, а затем нагревание газа до первоначальной температуры (в теплообменнике) при постоянном давлении.

Циклы криогенных установок можно подразделить на характерные группы по ряду различительных признаков. Такими признаками могут быть:

назначение установки;

способ получения низких температур;

тип расширительного устройства и др.

По назначению криогенные установки и циклы для них подразделяются на:

холодильные (или рефрижераторные) для получения низкотемпературного холода;

ожижительные для выработки ожиженного газа;

газоразделительные для разделения газовой смеси на составные части.

В циклах каждой из перечисленных характерных групп могут использоваться одни и те же способы получения низких температур, а именно:

эффект Джоуля-Томсона (дросселирование);

эффекты расширения рабочего тела с отдачей и без отдачи работы;

эффекты охлаждения дополнительнымихладоагентами;

специальные эффекты охлаждения, такие, как вихревой эффект, эффект Пельтье, вакуумированиеожиженного газа, десорбционное охлаждение, адиабатное размагничивание и др. В промышленных криогенных установках для получения температур от 120 до 4 К обычно используются первые три способа. Циклы для таких установок качественно отличаются друг от друга числом ступеней (каскадов) и характером процесса расширения рабочего тела, а также типами для осуществления этого процесса.

Все рассматриваемые циклы разделяются на следующие группы:

циклы, в которых все рабочее тело расширяется при дросселировании (установки с дроссельными установками);

циклы, в которых одна часть рабочего тела расширяется в дроссельных устройствах, а другая – в детандерах (установки с дроссельными устройствами и детандерами);

циклы, в которых все рабочее тело расширяется в детандерах (установки с детандерами);

циклы, в процессах расширения которых периодически различным образом изменяется количество рабочего тела в отдельных полостях машины при неизменном общем количестве рабочего тела во всех полостях машины (газовые холодильные машины).

Первые две группы циклов получили распространение в установках для ожижения и разделения газов и для получения холода. Третья и четвертая группа циклов применяются главным образом в установках для получения низкотемпературного холода. Чаще всего машины и установки этой группы работают по так называемому замкнутому газовому холодильному циклу. Циклы четвертой группы используются в газовых холодильных машинах (ГХМ) и существенно отличаются от первых трех. Даже при установившемся режиме работы машины и неизменном общем количестве рабочего тела температуры, давление и количество рабочего тела в отдельных полостях машины циклично изменяются, причем температуры и количество рабочего тела в любой момент времени в отдельных полостях машины различны, а давление во всех рабочих полостях практически одинаково и различается только вследствие влияния гидравлических потерь.

При анализе низкотемпературных циклов используются различные характеристики эффективности цикла. К ним относятся следующие:

количество производимого холода на единицу циркулирующего рабочего тела (удельная холодопроизводительность);

коэффициент ожижения;

удельный расход энергии;

холодильный коэффициент цикла;

термодинамический кпд цикла (сравнение с идеальным циклом) и др.

Удельная холодопроизводительность для цикла с дросселированием рабочего тела (цикл 1-й группы) определяется только величиной изотермического эффекта дросселирования. В простейшем случае, когда нет дополнительного охлаждения и все рабочее тело сжимается от давления Р1 до Р2, удельная холодопроизводительность выразится следующим образом:

q = i1 – i2,

где i1 – i2 – энтальпия расширенного и сжатого газа при температуре сжатого газа после холодильника, установленного за компрессором.

Для циклов, в которых в дроссельном вентиле расширяется только часть рабочего тела М, а вторая часть его (1 – М) проходит детандер (циклы 2-й группы), холодопроизводительность складывается из изменения энтальпии всего количества рабочего тела (1 кг) в процессе изотермического сжатия и холода, получаемого при изоэнтропном расширении (1 – М) кг газа в детандере:

q = (i1 – i2) + (1 – М) ηS,,

где ηS,- адиабатный теплоперепад в детандере.

Холодопроизводительность циклов с расширением всего рабочего тела в детандере (циклы 3-й группы) будет отличаться от холодопроизводительности циклов с частичным детандированием тем, что М=0 и

q = (i1 – i2) + ηS

Удельный расход энергии l0 определяется либо отношением l/q1, либо l/х, где l – энергия, расходуемая в цикле для получения полезной холодопроизводительности в количестве q1 или на получение ожиженного газа в количестве х.

Холодильный коэффициент ε является мерой эффективности охлаждения на единицу затраченной работы:

ε = q1 / l

Отношение холодильного коэффициента реального цикла к таковому идеального цикла принято называть относительным термодинамическим кпдηt.

Тогда по определению:

ηt = ε / εu

При сравнении циклов полезная холодопроизводительность в них должна быть одинакова, поэтому термодинамический кпд может быть определен как отношение работ

ηt = lи / l,

где lи – работа, затрачиваемая в идеальном (без потерь) цикла.

В реальном цикле помимо возможного отклонения протекающих процессов от обратимых приходится считаться со свойствами рабочего тела. Хотя во многих случаях заменой одного рабочего тела. Хотя во многих случаях заменой одного рабочего тела другим не удается значительно изменить эффективность цикла, конкретные свойства и особенности реального рабочего тела в действительных циклах имеют существенное значение.