Учебный вопрос № 2. Холодильные циклы с дросселированием

Циклы с дросселированием рабочего тела находят применение для получения низкотемпературного холода, для ожижения различных газов и создания условий для разделения газовых смесей на составные части методами ректификации, конденсации и адсорбции.

В криогенных установках используются различные циклы с дросселированием. Основные из них следующие:

с простым дросселированием (без охлаждения и с промежуточным охлаждением);

с двойным дросселированием (без охлаждения и с промежуточным охлаждением);

двух давлений (без охлаждения и с промежуточным охлаждением).

1. Холодильный цикл с дросселированием воздуха

Холодильный цикл с простым дросселированием основан на использовании эффекта Джоуля-Томсона и состоит в том, что при дросселировании реальных газов происходит изменение их температуры. Этот цикл впервые применен Линде в конце прошлого века в установке для получения жидкого воздуха.

Если рассматривать газовое состояние, то оно делится инверсионной кривой на две области: область, в которой происходит понижение температуры газа в процессе дросселирования, и область, где температура газа в этом процессе повышается.

Холодильный эффект при использовании процесса дросселирования может быть получентолько в области, где дросселирование сопровождается понижением температуры газа. Мы будем рассматривать при изучении газовых холодильных циклов только эту область состояний.

Чтобы осуществить получение низких температур дросселированием сжатого газа, необходимо понизить температуру газа перед дроссельным вентилем. Для этого в установку включают теплообменный аппарат.

Схема холодильного цикла с дросселированием и его изображение на диаграмме S–Т показаны на рис. 1 и 2.

Воздух сжимается в компрессоре 1 до давления Р2, охлаждается в холодильнике 2 с проточной водой и направляется в трубки противоточного теплообменника 3, где происходит его дальнейшее охлаждение обратным потоком холодного газа из ожижителя 4. Охлажденный сжатый воздух расширяется в дроссельном вентиле 5. При этом он дополнительно охлаждается, частично сжимается и собирается в ожижителе 4. Остальная часть воздуха, оставшаяся в газообразном состоянии, но имеющая очень низкую температуру, проходит между трубками теплообменника 3, охлаждая поступающий по трубкам сжатый воздух и сама нагреваясь.

Вода Вода Т2 2

Т1 3 1

Т1´ 1´

3 Т4

0 6

Рис. 2. Цикл с дросселированием на

диаграмме S–Т

Рис. 1. Схема цикла с простым

дросселированием

При пуске в работу холодильной установки охлаждение воздуха до температуры, соответствующей началу его сжижения, происходит не сразу, а постепенно.

Рассмотрим более детально по диаграмме S–Т установившийся процесс с дросселированием. Сжатие воздуха в компрессоре с давлением Р1 до давления Р2 происходит по линии 1–2. Теплота сжатия, соответствующая разности энтальпий воздуха в точках 2 и 3, передается воде холодильников компрессора. Принимается, что воздух после холодильника имеет ту же температуру, что и до сжатия в точке 1, поэтому можно считать, что сжатие воздуха происходит по изотерме 1–2, т.е. Т3 = Т1. Из точки 3 воздух, сжатый до давления Р2, проходит теплообменник, где его температуры при постоянном давлении Р2=const понижается до Т4. Этот процесс протекает по изобаре 3–4. С давлением Р2 и температурой Т4 воздух поступает к дроссельному вентилю. Процесс дросселирования происходит, как указывалось, при постоянной энтальпии, т.е. по линии 4–5, на которой i = const. Дросселирование заканчивается в точке 5, лежащей на линии 0–6, соответствующей давлению жидкости Р1=const. Отрезок 5–6 дает возможность определить количество жидкости (в % от массы перерабатываемого воздуха), как отношение: 5–6

0–6

Изобара 6–1 соответствует процессу нагревания в теплообменнике воздуха, уходящего из установки.

С понижением давления холодопроизводительность уменьшается настолько, что влияние потерь холода становится очень заметным и количество жидкого воздуха сильно уменьшается. Ввиду того, что потери холода всегда имеются, покрыть эти потери сжижением воздуха при абсолютных давлениях сжатия ниже 60 кгс/см2 в этом цикле практически нельзя. Тем не менее цикл с дросселированием ввиду его крайней простоты весьма широко применяется в холодильных процессах кислородных и азотных установок.

Недостатком цикла с дросселированием является относительно высокий удельный расход энергии, а также необходимость применения воздуха высокого давления. По данному циклу (в его простейшем виде) обычно работают установки малой и средней производительности для получения газообразного кислорода. В этих установках холодильный цикл с дросселированием служит для покрытия потерь холода в кислородном аппарате.

2. Холодильный цикл с дросселированием и предварительным охлаждением воздуха.

Предварительное охлаждение воздуха перед теплообменником улучшает показатели холодильного цикла с дросселированием примерно в 2–3 раза. Чем ниже температура сжатого воздуха на теплом конце теплообменника, тем выше холодопроизводительность цикла при дросселировании и тем больше получается холода при той же затрате работы.

Количество жидкого воздуха увеличивается в данном случае еще и потому, что необходимое для сжижения количество холода снижается вследствие уменьшения энтальпии воздуха после предварительного охлаждения. Поэтому разработан цикл с предварительным охлаждением воздуха перед теплообменником с помощью аммиачной холодильной установки до -40–45°С. Затрата энергии в аммиачном холодильном цикле невелика, и получаемый при этом холод обходится относительно недорого.

В данном цикле (рис. 3) воздух сжимается компрессором, охлаждается водой в холодильниках и по трубе 2 поступает в предварительный теплообменник 3, где охлаждается дросселированым воздухом. Затем воздух направляется в аммиачный теплообменник 4 для охлаждения аммиаком, поступающим из аммиачного компрессора 5 через конденсатор 6. Из аммиачного теплообменника воздух направляется в основной противоточный теплообменник 7, охлаждается дросселированным воздухом и, пройдя дроссельный вентиль 8, частично сжижается и накапливается в резервуаре 9 – отсюда жидкий воздух сливается через кран 10.

Оставшаяся несжиженной после дроссельного вентиля 8 часть воздуха отводится из резервуара 9 по трубе 11 противотоком сжатому воздуху в основной (7) и затем в предварительный (3) теплообменники для охлаждения сжатого воздуха, поступающего на дросселирование. Аммиачный теплообменник размещается между предварительным и основным теплообменниками для того, чтобы полнее использовать холод дросселированного воздуха. Если исключить предварительный теплообменник, дросселированный воздух будет нагреваться только до температуры сжатого воздуха, при которой он отводится из аммиачного теплообменника, т.е. до -40°С, и значительная часть холода дросселированного воздуха останется неиспользованной.

На диаграмме S–Т для этого цикла (рис. 4) показаны состояния: воздуха перед компрессором – точка 1; воздуха после компрессора – точка 3; воздуха при входе в аммиачный теплообменник, т.е. после предварительного теплообменника – точка 3а; воздуха после аммиачного теплообменника – точка 3´; воздуха перед дросселем – точка 4; воздуха после дросселя – точка 5; жидкого воздуха в сборнике – точка 0; паров холодного дросселирования воздуха (обратный поток) перед основным теплообменником – точка 6; обратного потока воздуха после основного теплообменника – точка 1´.

2 1

3 Т

3 1

Т3

3΄ 1΄

Т4

8 Т0

Рис. 4. Цикл с дросселированием и предварительным охлаждением Рис. 3. Схема цикла с дросселированием воздуха на диаграмме S–T и предварительным охлаждением воздуха