Критические параметры для воздуха

Р_кр = 37,66 бар (38,4 кг/см²)

Т_кр = 132,4 К (-140,6⁰С)

Сжижение газа при достижении критической температуры происходит без отвода теплоты. Теплота конденсации в этом случае равна нулю.

Получение кислорода из воздуха глубоким охлаждением наиболее экономично. В зависимости от производительности и технологической схемы установки расход энергии на производство из воздуха 1 м³ кислорода составляет от 0,4 до 1,6 кВт×ч.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ХОЛОДИЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

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.

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 (вспомним второй закон термодинамики – теплота не может переходить сама, без затраты работы, от более холодного тела к более нагретому).

Для охлаждения газов используют множество вариантов холодильных циклов, но все они являются модификациями трех основных.

Что же это за основные циклы?

1. С однократным дросселированием (цикл Линде) - высокого давления (18-22 МПа).

2. С дросселированием и расширением газа в расширительной машине (цикл Клода) – среднего давления (2-4 МПа).

3. Низкого давления (цикл Капицы)-(0,5-0,7 МПа).

Цикл Линде

Цикл назван именем профессора Мюнхенского университета Линде, который в 1895г. создал первый в мире промышленный ожижитель воздуха с применением дросселирования.

Рассмотрим схему процесса Линде и изображение его на T-S диаграмме (рис.24.1.).

Воздух при температуре Т₀ и давлении Р₀ (точка 1) сжимается в компрессоре до давления Р₂ = 18-20 МПа (180-200 атм). Теплота сжатия передается воде холодильников компрессора.

Температура воздуха после холодильника равна температуре до сжатия (в т.1), поэтому принимают, что сжатие воздуха осуществляется по изотерме 1-2.

После пуска установки сжатый воздух с давлением Р₂ поступает в дроссельный вентиль, дросселируется до давления Р₀ со снижением температуры с Т₀ до . Охлажденный воздух направляется в теплообменник для охлаждения следующей порции сжатого воздуха до температуры , близкой к температуре . После дросселирования порции воздуха с температурой (процесс 3^I-4^II) достигается более низкая температура . Воздух при этой температуре также используют для охлаждения сжатого воздуха перед дросселем до температуры . После дросселирования достигается еще более низкая температура и т.д.

Постепенно воздух охлаждается до температуры Т₃ и после дросселирования превращается во влажный пар (точка 4).

В отделителе жидкости насыщенный пар отделяется от жидкого воздуха, состояние которого соответствует точке 5. Пары в состоянии, характеризуемом точкой 6, направляются в противоточный теплообменник Т, где они охлаждают воздух высокого давления и нагреваются до температуры Т₇.

В идеальном случае выходящий из теплообменника воздух нагревается до той же температуры, при которой поступает сжатый воздух, т.е. Т₇=Т₂. В действительности Т₇.всегда меньше, т.к. теплоемкость сжатого охлаждаемого воздуха больше, чем теплоемкость обратного охлаждающего потока.

Запишем условия энергетического баланса для области, ограниченной на рисунке пунктиром, при условии, что в аппарат поступает 1 кг воздуха с энтальпией i₂, а выходит у кг жидкого воздуха с энтальпией i₅ и (1-у) кг воздуха с энтальпией i₇. Потерями, связанными с притоком тепла из окружающей среды, пренебрегаем.

Тогда

,

откуда

(умножили на )

Из уравнения для у следует, что количество жидкого воздуха пропорционально разности энтальпий сжатого воздуха i₂, поступающего в теплообменник, и расширенного воздуха i₇, выходящего из теплобменника.

Разность энтальпий газа при данном перепаде давлений и одной и той же температуре называется изотермическим дроссель-эффектом и обозначается Di_Т.

В данном процессе

кДж/кг.

Из формулы для у видно, что чем больше Di_Т, тем больше доля ожижаемого воздуха (условно приняли, что i₇ » i₁).

Практически в процессе Линде используют давление сжатия 20-22 МПа. Более высокие давления экономически невыгодны, т.к. эффект не компенсирует дополнительные затраты на оборудование.

Для более точных подсчетов энергетического баланса установки необходимо учитывать потери, связанные с процессом теплообмена. В теплообменниках нельзя достигнуть того, чтобы отходящий воздух нагрелся до температуры Т₇=Т₁. Фактически температура выходящего воздуха ниже температуры входящего на 3-5 градусов, что связано с потерями, которые называются потерями от недорекуперации Di_н.и равны на каждый килограмм расширенного воздуха

Если в выражение для у вместо i₇ подставить i₁-(i₁ – i₇ ), то

.

Здесь - разность энтальпий жидкого воздуха и воздуха окружающей среды.

Если в формулу для энергетического баланса ввести величину теплопритока через изоляцию q_из, то формула приобретает вид

.

Анализ выражения для у позволяет сделать следующие выводы:

1. Количество получаемого жидкого воздуха в процессе Линде увеличивается пропорционально увеличению изотермического дроссель-эффекта при температуре входа в теплообменник и уменьшается пропорционально увеличению разности энтальпий исходного и ожиженного воздуха При понижении температуры на входе в теплообменник значение у увеличивается, т.к. изотермический дроссель-эффект при низких температурах возрастает. Поэтому, снижая температуру поступающего на ожижение воздуха, например, охлаждая его предварительно в аммиачной или фреоновой установке, можно увеличить выход жидкого воздуха при том же давлении сжатия.

2. Величина изотермического дроссель-эффекта при Т₁=Т₀ равна разности энтальпий на входе и выходе из системы компрессор-холодильник (изотермический эффект сжатия). Следовательно, необходимое снижение энтальпии и соответствующее повышение энергии воздуха происходит в компрессоре и холодильнике.

3. Потери от недорекуперации уменьшают выход жидкого воздуха, т.к. числитель выражения для у всегда меньше знаменателя и вычитание из них величины всегда приводит к уменьшению у.

Потери в дросселе тесно связаны с потерями в теплообменнике. Чем меньше разность температур DТ_3-6 на холодном конце теплообменника (и, следовательно, потери в нем), тем ниже температура Т₃ перед дросселем и потери в нем. Но даже при разности температур на теплом конце теплообменника DТ_2-7®0 разность температур на холодном конце будет значительной вследствие того, что средняя теплоемкость и количество сжатого воздуха намного больше, чем расширенного. Покажем это.

Тепловая нагрузка теплообменника Q равна

Так как Q_сж. = Q_расш., то

.

Так как , а (1-у)< 1, то DТ_2-3 << DТ_6-7.

Однако DТ_2-7 + DТ_6-7 = DТ_2-3 + DТ_{3-6 .} Тогда DТ_3-6 >> DТ_2-7

Таким образом, чтобы уменьшить потери в процессе ожижения, необходимо создать условия, при которых разность температур в холодной зоне теплообменника уменьшится.