Результаты расчетов теоретического цикла ожижения газа с простым дросселированием

Из данных, приведенных в табл. 1.3.1, видно, что эффективность использования простого дроссельного цикла для ожижения метана существенно выше, чем при его использовании для ожижения воздуха. Для теоретического цикла коэффициент ожижения х_Т для метана составляет почти 20 % от количества метана, поступающего в установку, работающую по этому циклу.

Известно, что эффективность данного цикла может быть существенно повышена за счет предварительного снижения температуры газа, поступающего в дроссельную ступень. Обычно это достигается путем включения в дроссельный цикл ожижения дополнительной ступени охлаждения в виде ступени с внешним источником охлаждения. При ожижении воздуха и метана обычно в ступени с внешним источником охлаждения в качестве последнего используется холодильная машина.

Принципиальная схема такого двухступенчатого цикла и его изображение в S–T-диаграмме показаны на рис. 1.3.3.

Метан, сжатый в компрессоре К от давления Р₁ до давления Р₂ при температуре Т₁, поступает в предварительный теплообменник ТО1, где охлаждается до температуры Т₃.

Далее в теплообменнике ТО2, который является испарителем холодильной машины, он охлаждается до температуры Т₄. Окончательное охлаждение сжатого потока метана происходит в теплообменнике ТО3 концевой дроссельной ступени.

Рис. 1.3.3. Принципиальная схема установки ожижения метана, работающей
по простому дроссельному циклу с предварительным охлаждением (а),
и изображение цикла в S–T-диаграмме (б):
К – компрессор; ТО1, ТО2, ТО3 – теплообменники; ДВ – дроссельный вентиль;
ОЖ – отделитель жидкости

По выходе из теплообменника ТО3 с температурой Т₅ сжатый метан поступает на дроссельный вентиль ДВ, при прохождении через который давление потока метана снижается до величины Р₁ и образовавшаяся после ДВ парожидкостная смесь поступает в отделитель жидкости ОЖ. Жидкая фаза в количестве х кг отводится из ОЖ в качестве целевого продукта, а неожиженный поток в количестве (1 – х) кг используется в виде обратного потока для охлаждения сжатого метана в теплообменниках ТО3 и ТО1. По выходе из теплообменника ТО1 этот поток поступает на сжатие в компрессор К, где для обеспечения сжатия 1 кг метана подается на всасывание дополнительно х кг газообразного метана.

В теплообменник ТО2 для охлаждения сжатого метана подается поток жидкого хладагента из холодильной машины, который кипит, охлаждая поток сжатого метана, проходящего через теплообменник ТО2, а образовавшиеся пары поступают на сжатие и конденсацию в холодильную машину.

Как и в предыдущем цикле, доля ожиженного метана х кг может быть определена из энергетического баланса концевой дроссельной ступени. Однако в этом случае температура верхнего температурного уровня сжатого метана, поступающего в дроссельную ступень, будет существенно ниже и определяется значением температуры Т_х. Тогда в соответствии с обозначениями узловых точек цикла, показанных на рис. 1.3.3, уравнение энергетического баланса ступени для теоретического цикла запишем в виде

, (1.3.11)

откуда

, (1.3.12)

где i₈ – i₄ – изотермический перепад энтальпии при температуре Т_х, который характеризует холодопроизводительность ступени; i₈ – i₀ – разность энтальпий, равная количеству холода, которое необходимо для ожижения 1 кг метана при Р = Р₁.

В связи с тем, что величина Di_Т при одних и тех же значениях давлений Р₁ и Р₂ возрастает с понижением температуры изотермического сжатия, а одновременно с этим уменьшается величина разности энтальпий i₈ – i₀, снижение температуры Т_х, в соответствии с уравнением (1.3.12), приведет к росту х_Т.

Это подтверждается и данными, приведенными на рис. 1.3.4, где дана зависимость х_T от изменения температуры Т_х при изменении давления в диапазоне от Р₁ = 0,1 МПа до Р₂ = 20 МПа.

Рис. 1.3.4. Зависимость х_T для метана от изменения температуры T_х

Из рис. 1.3.4 видно, что понижение температуры Т_х, определяющей верхний температурный уровень концевой дроссельной ступени, с 280 до 220 К позволяет увеличить поток х_Т почти в 1,8 раза.

В этой связи представляет интерес сравнение х_Т и l_Т, полученных для двух теоретических циклов: простого дросселирования и простого дросселирования с внешним источником охлаждения при T₁ = 300 К и Т_х = 223 К (–50 °С) для значений Р₁ = 0,1 МПа и Р₂ = 20,0 МПа; q_c = 0; ΔТ₁ = Т₁ – = 0 и ΔТ₂ = Т₈ – = 0 для ожижения метана и воздуха.

Сопоставление этих величин приведено в табл. 1.3.1, 1.3.2.

Таблица 1.3.2