Учебный вопрос № 1. Основные способы получения холода, используемые в действительных циклах глубокого охлаждения

Процессы глубокого охлаждения, непосредственно связанные с разделением воздуха, имеют регенеративный характер и вклю­чение их в холодильный цикл принципиально не противоречит термодинамически правильному направлению в его построении.

Совмещение холодиль­ного цикла и процессов, связанных с разделением, значительно упрощает весь технический комплекс ус­тановки разделения воздуха. Положительной стороной такого совмещения является также то, что исключаются потери холода, которые дополнительно имелись бы в отдельном холодильном цикле. Поэтому в циклах глубокого охлаждения возцухоразделительных установок в качестве хладоагента большей частью ис­пользуется сам перерабатываемый воздух. Посторонние хладоагенты применяют обычно только в случаях включения в общую техно­логическую схему промежуточных холодильных циклов на промежу­точных температурных уровнях. В некоторых случаях часть воз­духа /или выделенной из него фракции/ является хладоагентом в дополнительном холодильном циркуляционном цикле.

При сравнительной оценке холодильных циклов для упрощения анализа их рассматривают как воздушные циклы с параметрами, соответствующий, в основном конечной цели их построения. При этом приближенно принимают, что процессы отдачи холода во внешнюю среду и регенерации (рекуперации) холода происходят по изобаре исходного (атмосферного) давления. Задача создания необходимого холода сводится, очевидно, к соответствующему уменьшению энтальпии перерабатываемого воздуха. Организация остальной части цикла должна быть такой, чтобы это уменьшение энтальпии в конечном счете могло быть реализовано на замыкаю­щей цикл изобаре атмосферного давления.

Для уменьшения энтальпии воздуха применяют два основных способа.

Использование расширительной машины (детандера).

Вклю­чение в цикл процесса изоэнтропийного расширения с совершени­ем внешней работы, как следует из анализа обращенного цикла Карно, является наиболее правильным направлением при решении поставленной задачи. При этом процессе происходит понижение температуры расширяющегося газа и он, очевидно, может быть использован как хладагент - для отвода тепла. Уменьшение энтальпии газа, получающееся при адиабатном расширении и опреде­ляющее, согласно сказанному выше, количество созданного холода, равно совершаемой газом работе. Температурный уровень по­лученного холода определяется теми температурами, между кото­рыми происходит последующий нагрев хладоагента и повышение его энтальпии по замыкающей цикл изобаре конечного давления расширения.

Принцип построения холодильного цикла с расширительной ма­шиной (детандером) показан на рисунке 1 и 2.

Т

1 2

2 1 Т1

S 0

Рис. 1. Схема холодильного цикла Рис. 2. Изображение в диаграмме

1 - компрессор; 2- холодильник; S–Тхолодильного цикла.

3 – детандер; 4 – холодоприемник

Сжатый газ, охлажденный водой, поступает в детандер и после расширения в нем направляется в холодоприемник, где используется в качестве хладоагента; в замкнутом цикле газ после хладоприемника вновь поступает в компрессор. В теоретическом случае сжатие предполагается изотермическим, расширение изоэнтропийным и холодоотдача – с нагревом газа до исходной температуры.

В диаграмме S–Т (рис. 2) линиями 1–2, 2–3 и 3–1 показано протекание цикла в идеальном случае; линия 1–2 соответствует изотермическому сжатию, линия 2–3 – изоэнтропийному расширению и линия 3–1 – нагреву газа при холодоотдаче. В действительности протекание всех процессов в цикле существенно отличается от теоретического, что характеризуется соответствующими кпд и потерями холода. Эти отступления тщательно анализируют, так как они приводят, например, к тому, что воздушная ходильная машина, построенная по указанному выше принципу, при относительно небольшом давлении сжатия оказывается значи­тельно менее экономичной, чем равная ей по холодопроизводительности паровая компрессорная холодильная машина, в которой холод получается на низком температурном уровне, т.е. более ценный.

Первые воздушные холодильные машины были построены во вто­рой половине прошлого столетия, но вследствие своей неэконо­мичности были вытеснены паровыми компрессионными машинами и сейчас применяются только в тех случаях, когда основное зна­чение имеет удобство использования воздуха в качестве охлаж­дающей среды.

Холод при намеченном выше построении цикла получается на высоком температурном уровне. Понизить этот уровень можно включением теплообменника, использованием процесса регенерации (рис. 3 и 4).

Т

2 1 Т1

3 5

3 5

0 S

Рис. 3. Схема холодильного цикла с Рис. 4. Изображение в

теплообменником и детандером диаграмме S–Т

1 - компрессор; 2- холодильник холодильного цикла

3 – теплообменник; 4 -детандер; (теоретического)

5 – холодоприемник с детандером

В этом случае холод получается на более низком температур­ном уровне, и экономичность цикла значительно повышается (под­робнее будет показано ниже). Развивая теплообмен, можно получать холод на все более низком температурном уровне. Это направление, намеченное еще в конце прошлого столетия, своевре­менно не получило развития в связи с тем, что, по-видимому, из-за неудачных конструктивных решений не удавалось дойти до температур ниже -95°С, и на первой промышленной установке в воздушном холодильном цикле для сжижения газа был использован эффект Джоуля-Томсона.

Использование эффекта Джоуля-Томсона.

Эффект Джоуля-Том­сона выражается в том, что при дросселировании сжатого возду­ха, т.е. в адиабатном его расширении без совершения внешней работы, в интересующей нас области давлений и температур про­исходит понижение его температуры. Расширенный до начального давления воздух при последующем его нагреве может быть использован как хладоагент для понижения температуры другого тела или системы. Определяется этот эффект тем, что при данном температурном уровне энтальпия сжатого воздуха меньше, чем при начальном давлении. Количество тепла, которое может быть в пределе, подведено к расширенному воздуху, т.е. количество располагаемого холода равно понижению энтальпии сжатого воздуха (рис.

5).

i1

i2 Р1

Т1 1

Т2

S

Рис 5. Характеристика эффекта дросселирования в диаграмме S–Т

Количество располагаемого холода характеризуется заштрихованной площадкой и определяется, очевид­но, понижением энтальпии при сжа­тии на исходном температурном уровне.

Как будет рассмотрено ниже, и в данном случае, путем включения в цикл регенеративного теплообме­на можно снизить температурный уровень получаемого холода.

На этом принципе и был основан простой холодильный цикл с дросселированием, использованный Линде в первой установке для сжижения воздуха и нашедший широкое применение в промышленности, несмотря на термодинамически очевидную его низкую эффек­тивность. Решающим фактором в данном случае была практическая осуществимость такого цикла.