Лекция № 23

ОЖИЖЕНИЕ И ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГАЗОВ

8-1. ВВЕДЕНИЕ

Ожижение и замораживание газов занимает существенное место в современной низкотемпературной технике. Ожижение газов входит как неотъемлемая часть в большинство процессов низкотемпературного промышленного разделения различных газовых смесей: воздуха для получения кислорода, азота и инертных газов; природного газа для извлечения гелия; коксового газа для получения водорода и др^;:

Замораживание газов используется как важный вспомогательный процесс при очистке газов от примесей (воздуха от водяных паров и углекислого газа, водорода от воздуха и др.). Ожижевные газы исполь-

* Объем г&за язи в литрах пря 7Ш ми рт. ст. я 0° С,

** Возгонка,

*** На уровне тройной точки.

дятся различными методами, включающими сжатие, расширение, тепло­обмен и различные изменения агрегатного состояния. Для осуществле­ния этих процессов используют аппараты и машины, аналогичные тем, которые применяются в паровых и газовых холодильных установках. В основе всех процессов перевода газов в жидкое и твердое состояния лежат общие закономерности, которые могут быть изучены термодина­мическими методами.

8-2. ИДЕАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ КОНДЕНСИРОВАНИЯ

Рассмотрим с помощью диаграммы Т—s процессы перевода газа в жидкое и твердое состояния (рис. 8-2). Начальное состояние газа соответствует условиям окру­жающей среды Т₀._с, ро с. Мы будем рассматривать только те случаи, когда Т₀._с> >Т_Кр, т. е. условия, при которых начальная температура газа выше критической. При То.с<Т_кр ожиже­ние газа не представляет существен­ных трудностей, так как может быть достигнуто простым сжатием, без применения холодильных процессов.

Начальное давление ро.с=1 ^ат для всех газов, применяемых в тех­нике низких температур, ниже кри* тйческого давления р^р. Поэтому на рис. 8-2 рассматривается случай, ког­да начальная точка 1 находится при давлении р₀._с<ркр.

Если охлаждать газ при посто­янном давлении р₀._с, отводя тепло в окружающую среду с .помощью ка­кого-либо вспомогательного холодиль­ного процесса, то температура газа будет понижаться до тех пор, пока не будет достигнута тогеа 2. При

дальнейшем отводе тепла, проходящем в области влажного пара, температура не будет понижаться, а будет уменьшаться энтальпия до тех пор, пока весь пар не перейдет в жидкость (точка 3). Таким образом, газ будет переведен в жидкость при том же давлении. Количество тепла, которое необходимо отвести от вещества в процессе

Рис. 8-2. Процессы перевода газа в жидкое и тъердое состояния на Т—s-диаграммо.

Во всех трех случаях при обратимом проведении процессов суммарная работа должна быть одинаковой при одних и тех же начальных и конечных параметрах к равна разности эксергий:

^MitH ^{= e}K—S-dt (8-1)

где индекс «н» относится к начальному состоянию, а индекс «к» — к конечному.

Величина /_мин может быть определена непосредственно по е—i-диаграмме дан­ного вещества. Применительно к ожижению эта величина показана в координатах в—i на рис. 8-3 для всех трех процессов. Первый процесс изображается линией 1-2-3. Работа в этом, случае /₀ж=йз—в\, отводимое тепло qьж—h—Ш Второй процесс изобра­жается линией 1-12-13-3. На сжатие в компрессоре затрачивается работа Iff

на охлаждение — работа l₀=ei$—е₁₂ {отводимое при этом тепло равно £12—ш). Воз­вращаемая при изэнтропном расширении работа равна h~e_m~e_z. Суммарная затра^ ^работы /мии=е12—ei-fе1₃~-е_1г—|е_!3—е₃)=е₃—с\. Наконец, в третьем процессе l-h-jO-З при изотермическом сжатии производится работа е_с=е-,о—fii (при этом от­водится тепло tj—tio) и при изоэнтропном расширении возвращается работа е_д=ею—е₃. Суммарная затрата работы остается прежней /_мин = ею——(е_ш—е₃) =е_г—■

В табл. 8-2 приведены значения минимальной работы ожижения ряда газов при давлении 1 ат. В этой же таблице даны количества тепла, которые необходимо отвести при изобарном ожижении этих газов —£3-

Таблица 8-2

Минимальная удельная работа ожижения и минимальная удельная холодопроизводительность установок ?ож для различных газоз при j?₀.c=l am, Т₀,_C=293^Q К

* При р₃ _ 60 am

В реальных установках действительная затрата работы значительно выше /мин, приведенной в табл. 8-2, так как часть работы затрачивается на компенсацию различ­ных потерь от необратимости. Степень приближения удельной затраты работы в ре­альных установках к минимальной оценивается к. п. д. установки г)=/_ыин//_р. Коэффи­циент полезного действия установки г) может меняться в широких пределах в зависи­мости от совершенства установки. ,

S-3. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ ОЖИЖШИЯ ГАЗОВ

Большинство технических процессов ожижения основано на втором типе идеального. процесса. В них применяется предварительное сжа­тие газа с использованием какого-либо холодильного процесса ^!. В та­ких холодильных процессах в качестве хладоагента используется или часть самого ожижаемого газа или холодильные циклы с другими хла- доагснтами.

Холодильные процессы, в которых сам ожижаемый газ использу­ется в качестве рабочего тела, аналогичны паровым циклам с дроссе­лированием и газовым циклам с детандером, но имеют и некоторые особенности.

Основное, существенное их отличие связано с тем, что как цирку­^! В лабораторных условиях и в промышленности при небольших масштабах производства используются и процессы, основанные на идеальном процессе первого типа —без предварительного сжатия. В качестве холодильных агрегатов применяются газовые машины, работающие по циклу Стирлиига (гл, 4).

лирующая, так и ожижаемая части газа участвуют в процессе совмест­но и ’проходят часть машин и аппаратов, не отделяясь одна от дру­гой. В двух точках процесса -постоянно вводятся и выводятся некото­рые количества рабочего тела (вводится газ и выводится жидкость). Поэтому процессы ожижения газов не являются циклами в строгом смысле этого слова.

Второе отличие связано с некоторыми особенностями применения дросселирования для ож.ижения газов.

Рассмотрим эти вопросы на примере самого простого процесса ожижения воздуха по способу К- Линде.

Процесс Линде

Способ ожижения воздуха и других газов, разработанный К. Линде в 1895 г., целиком основан на использовании дросселирования.

В связи с этим необходимо изучить предварительно некоторые осо­бенности процесса дросселирования с точки зрения, несколько отличной от той, с которой он рассматривался в паровых холодильных циклах. При рассмотрении паровых циклов, где дросселирование ведется

в области жидкости и влажного пара, основным является вопрос о по­терях, возникающих при замене адиабатного расширения дросселиро­ванием и выборе такого хладоагента, при котором эти потери являют­ся наименьшими.

В процессах ожижения основной вопрос сводится к определению наиболее энергетически выгодных параметров дросселирования для заданного рабочего вещества.

Как известно, эффект дросселирования реального газа характери­зуется величиной дифференциального эффекта Джоуля—Томсона

ai= -Индекс i указывает на постоянство энтальпии при дроссели­

ровании. В зависимости от природы газа и параметров проведения про­цесса температура может понижаться (<$Г<0М повышаться (dT>0} или оста­ваться неизменной. (dT—0). Так как величина dp всегда отрицательна, то в первом случае сс_г>0 (положительный дроссель-эффект), во втором щ<0 (отрицательный дроссель-эффект) и в третьем <х; = 0.

Рассмотрим на диаграмме Tj-s реального газа изменение величины: СЕг приразличиых условиях (рис. 8-4). При дросселировании газа от началь­ного давления pi и температуры Т\ (точка ./) до давления р% конечное со­стояние будет изображаться точкой 2, лежащей на пересечении изобары pi с линией постоянной энтальпии i\ = h. Точка 2 находится на более низкой изотерме Т%, и изменение температуры i-2 <0 (газ охлаждается). Такое же охлаждение будет наблюдаться во всех тех случаях, когда при i = idem с понижением давления снижается температура (например, процес­са 7-8).

Как видно из диаграммы, линии постоянной энтальпии имеют максимум, который по мере повышения температур передвигается в сторону меньших давлений, становится менее выраженным и, наконец, при температуре Г_иив (ДГ₃_₄=0) исчезает. Линия, соединяющая эти точки.

Рис. 8-4. Изменение эффекта дроссе­лирования в зависимости от темпера­туры и давления.

■максимума (инверсионная кривая), показанная на рис. 8-3 штриховой .линией, разделяет диаграмму на две области. Вправо от инверсионной кривой дросселирование (как было показано выше) приводит к охлаж­дению газа; в области, расположенной левее кривой инверсии, где кри­вые i—idem понижаются в сторону более высоких давлений —к нагре­ванию. Например, при дросселировании от начального давления p,_t и температуре в начале процесса Т₅ газ будет нагреваться (б7\₅ >0) (дроссель-эффект отрицателен).

У водорода и гелия инверсионная кривая проходит значительно ниже температуры окружающей среды Т₀._с. Поэтому дросселирование водорода и гелия при температурах выше 170—180° К (Н₂) и 40° К (Не) приводит к нагреванию газа и не может быть использовано для пониже­ния температуры.

У кислорода, азота, метана и других газов, широко применяемых в низкотемпературной технике, дроссель-эффект при температуре Т, в области давлений, применяемых в технике, положителен.

О.С

Рис. 8-5. Схема процесса Линде (а) и изо­бражение его на Т—.?-диаграмме. (б).

I — компрессор; II — охладитель; III — теплооб­менник; IV — дроссель; V — отделитель жидкости.

При данном конечном давле­нии охлаждение тем больше, чем .выше начальное давление; макси­мальное значение А\Т достигается при дросселировании от началь­ного давления, лежащего на кри­вой инверсии. Для воздуха это давление составляет около 420 ат.

Дальнейшее повышение давления приводит к понижению охлаж­дающего эффекта. Это видно из сравнения трех процессов дроссе­лирования при одной и той же начальной температуре Т₀__с, по­казанных на рис. 8-4 (1-2, У-2' и 1"-2").

Охлаждение, получаемое пу­тем дросселирования при темпе­ратурах, близких к Т₀,с, недоста­точно для получения температур, нужных для ожижения большинства газов. Чтобы достигнуть достаточно низких температур, Линде сочетал дросселирование с теплообменом, используя метод регенерации, анало­гичный применяемому в газовых холодильных циклах¹.

Схема процесса Линде и его изображение на Т—5-диаграмме даны на рис. 8-5.

Газ при температуре Г₀,_с и давлении /?₀._с (точка У) сжимается в ком­прессоре / до 100—200 бар и охлаждается в охладителе до первоначаль­ной температуры (точка 2). В диаграмме Т—sпроцесс 1-2 сжатия и охлаж­дения газа усл овно показан как изотермический. В первый момент пуска сжатый газ дросселируется в вентиле IV до _с, причем его температура снижается до Т\, Весь охлажденный воздух направляется в теплооб­менник, в котором нагревается и охлаждает следующую порцию воздуха до температуры Т'%, близкой к Т\. В результате дросселирования этой порции газа (процесс 3'-4Щ будет достигнута более низкая темпера­тура Т"л. Газ с этой температурой также используют для охлаждения ■сжатого воздуха перед дросселем до Т"₃; тогда после дросселирования достигается еще более низкая температура Т'"₄ и т. д. Через некоторое время газ охладится настолько (точка 3 на диаграмме), что после дрос­

¹ Впервые использование регенеративного теплообменника при охлаждении газов дросселированием было предложено В. Сименсом в 1857 г.

селирования перейдет во влажный пар (точка 4 на диаграмме). В отде­лителе жидкости V насыщенный пар отделяется от ожиженного газа_} который в состоянии, соответствующем точке 5, удаляется как продукт. Пар (точка 6} направляется в теплообменник, где охлаждает сжатый газ, нагреваясь до Т₇. В идеальном случае выходящий из теплообмен­ника расширенный газ нагревается до температуры поступающего сжа­того воздуха (Т'₇ = П),

Определим количество у, кг ожиженного газа, которое можно полу­чить из 1 кг ожижаемого газа в процессе Линде. Для этого составим энергетический баланс контура, границы которого показаны штриховой линией на рис. 8-5,а.

В контур поступает 1 кг сжатого газа с энтальпией i₂, а выходит из него 1—у, кг расширенного газа с энтальпией i₇ и у, кг ожиженного газа с энтальпией ц. Кроме того, в контур поступает из окружающей среды тепло через тепловую изоляцию аппаратов в количестве q_m на

1 кг сжатого газа. Энергетический баланс процесса будет иметь вид:

i2 + qm=yib+{l—y)h. (8-2)

Отсюда

ц = _:‘‘⁷С ЙН¹¹³. (8-3)

^г5

Величина 1₇ всегда меньше i'₇, где i'₇— энтальпия расширенного газа при температуре, равной Т_2> так как на практике, нельзя достигнуть того, чтобы отходящий газ нагрелся до Т'₇ = Т₂. Фактически темпера­тура выходящего газа ниже, чем температура входящего, на 3—5 град, что приводит к некоторой потере холода. Она называется потерей от недорекуперации и равна на 1 кг расширенного газа

(i' 7—£*7) =:Дг_н-

Эта потеря выражается в том, что температура сжатого газа, выхо­дящего из теплообменника (точка 3), оказывается более высокой, чем при АТ = Т2—?^V7 —*• 0.

Перенесение начальной точки дросселирования по изобаре в сторо­ну более высоких температур приводит к тому, что точка 4 перемещает­ся вправо (рис. 8-5) и доля у жидкости уменьшается.

Заменив величину i₇ на равную ей величину i’t—(i'7—Щ=щ^А£н, получим:

, ^1> 1 —' (^jV7 — ч) —Н—?ИЗ !■'7 — — hi_n — grta ,0

Щ — Ч) — (У7 — I) К — Н — ¹

Разность энтальпий газа при данном перепаде давлений и одной и той же температуре называется изотермическим дроссель-эф­фектом и обозначается как Ai_T. Эта величина характеризует дрос­сель-эффект в тепловых единицах и изменяется по тем же закономерно­стям, что и щ, выражаемый в градусах. В уравнении (8-4) разность i'₇, — k равна Ai_T при температуре на теплом конце теплообменника Т₂ = T_v

В технике низких температур изотермический дроссель-эффект является важной расчетной величиной.

Рассмотрим физический смысл величины Ai_T.

На рис. 8-6 показана схематически термодинамическая система, в которой происходит расширение реального газа от давления р_х до давления /?₂; процесс построен таким образом, чтобы температуры вхо­дящего и выходящего потоков газа были одинаковы (Т2—Т1). Процесс нанесен условно на диаграмму Т—s штриховой линией 1-2, поскольку промежуточные состояния не фиксированы. Если t₂>S (рис. 8-6), то изотермический дроссель-эффект положителен и Д{_т>0; если то

А/_т<0 (рис. 8-6,6).

В первом системы поток

1НОСИТ из

случае удельное количество auonm рабочего трпя к™. энергии, которое вьп

^v“'-;_>J- д_Ля того чтобы ппппр ^{Чем Т0, кото}Р°е он вносит, так

^Кимо²постоянно подвод ить тепло °^Г_к^{Проходить} стационарно, необхо-

^д1 источника Это KorjHuPf-ro ^q систему, отбирая его у какого-

_лйбо источника, ото количество тепла о, определяют?? упппгтпппичцп-

_ДИТель»ость процесса, как следует из энер?е?и™о “™^ДОПР^ОИЗВО

дрос-

анса, равно— изотермическому сель-эффекту.

Рис. 8-6. Энергетический баланс системы дросселирования реального газа.

а — положительный дроссель-эффект, Ai_T>0; б — отрицательный дроссель-эффект, Дг_т<0.

, ^У

Во втором случае, напротив, количество вносимой потоком ра­бочего тела энергии больше, чем выносимое, на величину i,—1₂, _а Д/_т<0. Поэтому процесс не может использоваться как холо­дильный. Более того, для поддер­жания стационарного режима не­обходимо отводить из систе­мы тепло q.

Таким образом, изотерми­ческий д р о с с е л ь - э ф ф е к т д*_т измеряется количе­ством тепла, которое на­до в процессе дроссели­рования отвести от рабо­чего тела или подвести к нему для того, чтобы темпера­тура в конце процесса оставалась равной начальной температуре.

Равенство q=Ai_T = i₂—ii остается справедливым независимо от того, как и на каком температурном уровне происходит в системе дроссели­рование. Количество тепла q всегда определяется только разностью энтальпий в точках 1 и 2, равной Air, и не зависит от внутренних пара­метров процесса.

Рассмотрим теперь величину i'7—15 в знаменателе формулы (.0-4). Она представляет собой разность энтальпий газа приходном и том же начальном давлении при температуре входа в теплообменник и темпе­ратуре после ожижения и обозначается как Ai₀»- Величина Дг₀ж равна

Заменив ^ формуле (8-4) разности энтальпий соответствующими обозначениями, получим:

Дг'_т — At_H—

У Д£ож — Д¹'н

(8-5а)

В частном случае при ^из = 0

Дг’т — Д^£Н Д*ож —

(8-56)

Рассмотрим уравнение (8-5а). больше чем больше

Количество получаемого ожиженного _{ре ВХ}о_Да сжатого

Изотермический дроссель-эффект Л*т при Р УР

газа в теплообменник _ожижеНие газа по способу Линде при дан-

пых температурных условиях на теплом конце теплообменника неосу-

"“"дГгазов, у которых *>0«р.

^И У растет с увеличением давления сжатия вили. * г

водимо создать условия, при которых п_я,

оме теплообменника уменьшится. Р^азность

Г .'-Одним из методов снижения

температур в холодной

кони^е теплообменника является введенир¹*! ^гомц°ратур на холодном

парового холодиль ного цикпГ"^.^Н.^ИТ_^{еЛЬН0Г0 охл}аждения

или фреоио-

Цикла (аммиачного

посредством

^в Такой процесс Линде с предварительным ^ _теЛьно к ожижению воздуха показан на рис 8 И^)Х^^{ждением} показано протекание • ^s ''-Там же на

температур в теплообменни­_ках Теплообменник здесь разделен на две части.

В предварительном тепло обменнике III воздух охла­ждается от температура 293° К (точка 2) до 255° К ^точка Я), лосле чего посту­пает в испаритель холо­дильной установки VII, где охлаждается до 228° К. Бла­годаря дополнительному ох­лаждению разность темпе­ратур в сечении а-б умень­шается до Ar₉-io = 5 град.

При дальнейшем охлажде­нии в теплообменнике VI температура сжатого возду­ха достигает Г₃~159°К.

примени-

диаграмме

Рис. 8-11. Схема процесса Линде с предваритель­ным охлаждением (а) и изображение процесса теплообмена на Т—i-диаграмме (о).

It nvna nUTPIb' ///” .

V — отделитель

Гдкос”/- основной • теплообменник;

Гель холодильной установки.

VII — испари-

также более низкая темпе-

Разность температур на хо­лодном конце теплообмен­ника АТ₃_6~77°. Для срав­нения на диаграмме q Т нанесено штриховой линией изменение температуры сжа­того воздуха в процессе

Линде без предварительного охлаждения. Щ ^ _.......

Снижение потерь в теплоос о_Иа’чительному улучшению энерге

ратура перед дросселем привод ⁴ *

тических показателей процесса.^ замкнутого контура, ограпп

Составим энергетическии баланс для з >

ценного штриховой линией на рис. >

i₂ + qm=yib+^l(^{-y^{)h + qx}

- атвод тепла в испарителе холодильной установки на

где о,— удельный отвод теп.и

1 кг ожиженного ^газа_{п б азоваИ}ий уравнения (8-8а) получае т.

После соответствующих преобразова >1

(8-8а>

У =

... с_я) видно, что введение допол-

удельный выход ожиженного газа, пр

гии в установке. _мпго охлаждения энталь

При наличии дополнитель „делается формулой,

на выходе из теплообменника VI опред

(M.-ir-l*—У) («—««> *«•

(Ы N

При отсутствии дополнительного охлаждения

h—'h—(I—у) (?-7—г'е); (*’з)а:<4.

(8-10)

При /7₂ = idem и /?i = idem, {T₃)_X<T_S.

Снижение Г₃ приводит к уменьшению потерь эксергии в теплооб­меннике и дросселе.

При расчете удельного расхода работы в процессах с дополнитель­ным охлаждением необходимо учитывать также затрату работы в до­полнительной холодильной установке.

Удельный расход электрической энергии на 1 кг ожиженного газа, или удельная электрическая мощность на 1 кг!сек производительности по ожиженному газу, определяется в установках Линде с дополнитель­ным охлаждением .по формуле:

RT In

Р2

дж/кг, вт,

(8-11)

где в - холодильный коэффициент установки, выводящей из процесса тепло q_x. _

Показатели процесса с предварительным охлаждением при тех же исходных данных, что и в обычном процессе Линде, приведены ниже.

Удельный расход перерабатываемого воздуха, кг

Выход ожиженного воздуха, кг , , ................

Доля ожиженного воздуха, %.................. .

Удельная затрата работы N_у, квт-ч,................

5,6 1 ,0 17,9 1,04

Практически вследствие тегоюпритока через изоляцию и других потерь удельная затрата работы составляет 1,6—1,8 квт-ч. Эксергети- ческий к, п. д.. процесса составляет около 10—11%.

Для проведения предварительного охлаждения до более низких температур может использоваться каскадный процесс с несколькими

хладоагентами. Предвари­тельное охлаждение служит не только средством снижения расхода энергии на ожижение газов. Для газов с температу­рой инверсии ТупШ более низ­кой, чем То.о оно является не­обходимым условием осуще­ствления ожижения яосредст- вом дроссель-эффекта. Так, водород при Г> 180° К и ге­лий при Г>40°К имеют в об­ласти давлений, применяемых для ожижения, отрицательный ‘дроссель-эффект и дроссели­рование приводит к их нагре­ванию. Поэтому при ожижении по способу Линде предвари­тельно охлаждают водород до температур ниже 100—90° К, а гелий — ниже 30—20° К.

Рис. 8-12. Схема ожижения водорода с пред­варительным охлаждением жидким азотом (а) и изображение процесса в Т—s-диаграмме (б).

/ — компрессор; // — охладитель; /// — предвари­тельный теплообменник; IV — дроссель; V — отдели­тель жидкости; V/ —основной теплообменник; VII — ванна с жидким азотом.

Б качестве хладоагентов для предварительного охлаждения в таких процессах используют ожижеиные газы с низкими нормальными темпе­

ратурами кипения T_s (воздух или азот). При ожижении гелия исполь­зуют также предварительно ожиженный водород.

На рис. 8-12 показана схема и изображение в Т—s-диаграмме процесса ожижения водорода с предварительным охлаждением азотом, кипящим под вакуумом. Как видно из схемы, такой процесс ожижения водорода в принципе не отличается от процесса ожижения воздуха с предварительным охлаждением. Сжатый водород, проходя через змеевик, находящийся в жидком азоте, охлаждается на АГ_Ы ■= —Г₉.

При р2= 150 бар и 79 = 80° К изотермический дроссель-эффект равен Л*_т=188 кдж/кг и величина #=0,17. С даль­нейшим понижением температуры Л:_т воз­растает и соответственно увеличивается до­ля ржижаемого водорода у. При Jg = 70°K у — 0,23, а яря Тд — 62°К (охлаждение жид­ким азотом под давлением 6—8 мм рт. ст.) у повышается до 0,3.

Чтобы использовать холодные пары азота для дополнительного охлаждения во­дорода , их пропускают через предваритель­ный теплообменник.

Для ожижения гелия посредством ис­пользования дроссель-эффекта охлаждение жидким азотом недостаточно. В этом слу­чае, кроме азотного, обычно применяется охлаждение жидким водородом (рис. 8-13).

Как видно из схемы, дополнительное ох­лаждение производится на трех темпера­турных уровнях.

В верхней ступени охлаждение до 70—

62° К ведется азотом. В средней ступени сжатый гелий охлаждается водородом, кипя­щим при атмосферном давлении ( — 20°К), в нижней ступени охлаждение ведется во­дородом, кипящим под вакуумом ( — 16° К).

Жидкий водород получается в этой же установке по методу, описанному выше.

Процесс Клода

Дополнительное охлаждение сжижае­мого газа можно проводить не только используя один или несколько паровых хо­лодильных циклов с посторонними хладоагентами, но и путем исполь­зования газовых регенеративных циклов с детандерами. Последние про­цессы имеют то существенное преимущество, что в них может использо­ваться в качестве рабочего тела часть ожижаемого газа; отсутствие дополнительных хладоагентов позволяет значительно упростить уста­новку.

Первый процесс ожижения газа с использованием детандера был разработан и осуществлен Ж. Клодом в J902 г.

Принципиальная схема и изображение на диаграмме Т—s процес­са Клода показаны на рис. 8-14.

Сжатый газ после компрессора и охладителя (точка 2) посту­пает в предварительный теплообменник ///, где охлаждается обратным потоком расширенного газа до T_s; после этого газ разделяется на два потока. Часть газа М, кг проходит через промежуточный теплообмен­ник VII, основной теплообменник VI и после охлаждения до темпера­туры Т’з дросселируется до конечного давления. Полученная после дросселирования жидкость у, кг выводится из отделителя жидкости V

Рис. 8-13. Процесс ожижения гелия с предварительным ох­лаждением жидкими азотом и водородом.

как продукт (точка 5), а сухой насыщенный пар (точка 6) про­ходит противотоком к поступаю­щему сжатому газу через теплооб­менники VI, VII и III, нагреваясь при этом до Тт — Т₂—Д'Г_Н. Часть сжатого газа (1—М), кг посту­пает в детандер VIII, где расши­ряется, производя внешнюю ра­боту £_д. Охлажденный до Г_и газ присоединяется к обратному по­току в точке 12, где обратный по­ток имеет ту же температуру. Выходящий из детандера газ увеличивает обратный холодный' поток в теплообменниках VII и III, обеспечивая дополнительное- охлаждение сжатого газа.

Количество ожиженного га-

Рис. 8-14. Схема ожижения газа .по спосо­бу Клода и изображение процесса в Ts-

координатах.

- ^

а — схема процесса; б - изображение в Т-.-диа- 33, KOTOpOS МОЖеТ бЫТЬ ПОЛуЧвНО

грамме; / — компрессор; II — охладитель;. Ill— _в прОЦеССв К-ТОДЭ, ОПреДСЛЯеТСЯ

предварительный теплообменник; IV ~ дроссель.; , г М

V — отделитель жидкости; VI— основной тепло- ИЗ ЭНерГвТИЧеСКОГО ОалаНСЗ ПрО-

rauunv I/f f nnnUPWVTmiKWH Т^П.ГТ ппбменник: .________________ ГГ /ЛПП п

Г UlrtWirilWlU ж *1, . - ^ - - '

обменник; VII — промежуточный теплообменник; VIII — детандер

цесса. Для части установки, огра­ниченной штриховой линией на¹ рис. 8-14а, уравнение баланса энергии, имеет вид:

откуда

(2+ (1—М) /п +дМз=уШ+ (1 —Щ %+ (1 У)

ii — *2 -f- (I ■— -<W) (i_g '("ii) CJks

У - " ' " ’’

b -m>

где <7из — удельный теплоприток через изоляцию на 1 кг расхода сжа­того газа.

Величину k—liv=M_a — удельную холодопроизводительность де­тандера можно выразить через Д£_ад идеального детандера (гл. 4) с уче­том его адиабатного к. п. д. ^ад:

Д'1д —А^адТ]ад.

Проведя в формуле (8-12) те же преобразования, что и в (3-4), получим:

Дг_т (I — АА) Atji -г- з

у-

(8-13)

Формула (8-13) отличается от формулы (8-5а) только наличием дополнительного члена (1—М)А£_Д. Следовательно, все зависимости,, выведенные для процесса Линде, остаются в силе и в этом случае. Изо­термический дроссель-эффект, как и в процессе Линде, подсчитывается для всего газа, поступающего в установку. Дополнительное охлажде­ние, получаемое посредством детандера, относится только к части воз­духа (1—М). Поскольку выражение (1—М)||{д входит в числитель формулы (8-13) с положительным знаком, то введение детандера при прочих равных условиях увеличивает долю ожиженного воздуха у.

Увеличение доли воздуха, пропускаемого через детандер, приводит к возрастанию у, но до определенного предела. Чтобы установить при­чину этого явления, рассмотрим, как влияет введение детандера на характер изменения температур в теплообменнике (рис. 8-15).

В предельном случае, когда (1—М) =0, процесс Клода переходит в процесс Линде и изменение температур газа соответствует линиям

Вторым преимуществом низкого давления является возможность применить вместо теплообменников — рекуператоров более выгодные аппараты-регенераторы, в которых одновременно с теплообменом про­исходят и процессы массообмена — осушка и очистка газа от конден­сирующихся примесей (на- '

пример, С0₅),

Эти возможности были впервые реализованы ака­демиком Капицей, который предложил и разработал процесс низкого давления для ожижения воздуха.

Процессы Гейландта и Капицы

Рассмотрим более под­робно характеристики про­цессов Гейландта и Капицы.

Процесс Гейландта по­казан на рис. 8-17. Каквид- но из схемы, сжатый до ^200 бар воздух после ох­ладителя в отличие от процесса Клода сразу раз­деляется на дзе примерно равные части. Одна из них

Рис. 8-17. Схема процесса Гейландта и изображе­ние его на диаграмме Т—s,

а — схема процесса, б — изображение ка Т—$-диаграмме;, /—компрессор; //—охладитель; /// — верхний тепло­обменник; JV—дроссель; V — отделитель жидкости; VI — нижний теплообменник; VII— детандер.

(1-—М) поступает на детандер, другая —в теплообменник. В процессе Гейландта оптимальная разность температур A7V-7 обычно составляет около 10 град, В остальном процесс Гейландта не имеет никаких каче­ственных отличий от процесса Клода.

Схема процесса Капицы и изображение его в Т~s-диаграмме по-

лайады на рис. 0-10. i аз сжимается в турбокомпрес* соре до давления 5—7 бар и после охлаждения в со­стоянии, соответствующем точке 2, поступает в тепло­обменник III (регенератор). После охлаждения . газом обратного потока до темпе-*_ ратуры Тя сжатый газ раз­деляется на две части. Пер­вая (1~-М) в количестве около 90% от всего газа по­даётся на расширение в тур­бодетандер. Другая часть М газа через теплообменник- ожижитель Ш, где она кон­денсируется, поступает на дросселирование (точка 3)_г Порченная после дроссели*

рования жидкость в количестве у, кг отводится из отделителя, а остав­шийся газ в состоянии сухого насыщенного пара вместе с газом, посту­пившим из турбодетандера, направляется в теплообменники VI и III и после нагревания до температуры Ту выводится в атмосферу.

А ГТ А лт П П ПЛТТТУл т-у 4S Т/^ _ _ Т ¹ . . Т Т

Рис. 8-18. Схема процесса Капицы и изображение его на диаграмме Т—s.

а —схема процесса; б — изображение на 2⁴—s-диаграм­ме; / — компрессор; II — охладитель; Iff — регенера­тор; IV ^ дроссель; V — отделитель жидкости; VI — теп­лообменник-ожижитель; VII — детандер.