Цикл Линде с дополнительным охлаждением сжатого воздуха

Одним из методов снижения разности температур на холодном конце теплообменника является введение дополнительного охлаждения сжатого воздуха, предложенное и разработанное Линде.

В схеме такого процесса теплообменник разделен на две части. В предварительном теплообменнике Т_п воздух охлаждается с Т₂ до Т₈, после чего поступает в испаритель холодильной установки (Х.У.), где охлаждается до Т₉. Благодаря дополнительному охлаждению разность температур после Х.У. между воздухом низкого и повышенного давления уменьшается » до 5⁰С. При дальнейшем охлаждении в основном теплообменнике сжатый воздух достигает температуры Т₃.

Из диаграммы видно, что разность температур на холодном конце теплообменника DТ_3-6 значительно меньше аналогичной разности DТ₃¹_-6 без дополнительного охлаждения.

Составим энергетический баланс для замкнутого контура, ограниченного штриховой линией:

, где

q_x – количество теплоты, отводимой от воздуха в испарителе холодильной установки на 1 кг ожиженного воздуха;

q_из – теплоприток через изоляцию.

После преобразования имеем:

Из уравнения для у видно, что при введении дополнительного охлаждения величина у возрастает.

10.3 Цикл Клода (среднего давления, Р=2-4 МПа)

Способ ожижения воздуха, разработанный Ж.Клодом (1902 г.) основан на использовании одновременно с дросселированием расширения воздуха в детандере.

Детандером называется машина, предназначенная для расширения газа с отдачей работы в окружающую среду.

Применив детандер вместо дросселя, можно получить существенно более низкую при прочих равных условиях температуру, чем в случае дросселирования. Однако этот теоретически весьма эффективный и простой способ понижения температуры оказалось очень непросто реализовать на практике.

По поводу перспектив использования схемы с детандером профессор К.Линде писал: «Практическое осуществление этого процесса (теоретически неоспоримого) является сомнительным по следующим причинам.

Предположим, что в этом процессе был бы применен атмосферный воздух при той же температуре, которая нужна для его сжижения; при этой температуре все вещества, содержащиеся в воздухе в качестве примесей: вода, СО₂ и пр., так же, как и остатки применяемых смазывающих материалов, перешли бы в твердое состояние. В этих условиях стала бы невозможной работа цилиндра расширения и его распределительных механизмов. Те лица, которым приходилось работать при таких низких температурах, знают по опыту, насколько трудно в этих условиях управление даже простым вентилем. Вместе с тем, было бы чрезвычайно трудно или даже невозможно защитить с необходимой для этих низких температур тщательностью как сам цилиндр расширения, так и его механизмы от влияния внешнего тепла, и, следовательно, этот способ совершенно непригоден для достижения этих низких температур».

Не прошло и 6 лет после такого категоричного высказывания, как воздух стали ожижать в промышленных масштабах в установках с использованием детандера.

Клоду удалось достаточно полно очистить воздух от примесей воды и СО₂. Оказалось также, что поршень в цилиндре можно эффективно уплотнять с помощью специальных манжет из обезжиренной кожи, которая при низких температурах не затвердевает и не требует смазки. Теплоприток из окружающей среды оказался не столь существенным, как предполагалось, и не мог решающим образом повлиять на эффективность детандера.

Рассмотрим процесс расширения воздуха в детандере на T-S диаграмме (рис.25.1.)

Предположим, что давление газа перед расширением в точке 7 равно Р₂, а температура – Т₇. Если бы расширение газа в детандере происходило без потерь при постоянной энтропии, то конечная точка 8¹ процесса находилась бы на пересечении линии постоянной энтропии и изобары Р₀, т.е. в идеальном случае S₇ = S₈¹

Величина энтальпии в процессе расширения в детандере уменьшается на количество произведенной работы - холодопроизводительность идеального детандера

В действительности, вследствие трения и притока теплоты извне энтропия в конце процесса расширения возрастает (S₈ › S₇), величина Di_д уменьшается, кривая, изображающая процесс, отклонится вправо от адиабаты, и конечное состояние воздуха будет характеризоваться точкой 8.

Конечная температура расширения Т₈ выше Т₈¹.

Эффективность детандера определяют адиабатным к.п.д., который представляет собой отношение действительной разности энтальпий газа на входе в детандер и на выходе из него и их разности при изоэнтропном расширении

.

Чем больше h_ад данного детандера, тем больше охлаждение воздуха. Величина h_ад современных детандеров находится в пределах 0,65¸0,85.

Охлаждение воздуха в результате его расширения в детандере значительно больше, чем при дросселировании. На T-S диаграмме температура Т₈ значительно ниже Т₄.

Для начального давления от 20 до 1,2 МПа и небольших количеств газа применяют детандеры поршневого типа, для давления 1,2 – 0,4 МПа и больших количеств газа применяют турбодетандеры.

Рассмотрим процесс ожижения воздуха с использованием детандера (рис.25.2.).

Сжатый воздух после компрессора и холодильника в состоянии точки 2 поступает в предварительный теплообменник I, в котором охлаждается до температуры Т₇ и разделяется на два потока. Газ в количестве М кг (20-30%) проходит через теплообменник II, ожижитель III и после охлаждения до температуры Т₃ дросселируется до давления 0,1 МПа (1 атм). После дросселирования жидкость отделяется в отделителе жидкости ОЖ и выводится из него в состоянии, характеризуемом точкой 5, в количестве у, а пары в состоянии, характеризуемом точкой 6, поступают сначала в ожижитель III, а затем в теплообменник II и I. Расширенный воздух нагревается до Т₁₁, охлаждая при этом сжатый воздух.

Второй поток воздуха в количестве (1-М) (порядка 70-80%) поступает из теплообменника I в детандер IV, где расширяется также до 0,1 МПа, совершая внешнюю работу. Охлажденный в детандере до температуры Т₈ воздух присоединяется к обратному потоку в точке 8, где температура воздуха также равна Т₈.

Таким образом, в процессе Клода, как и в процессе Линде с предварительным охлаждением, имеется дополнительное охлаждающее устройство.

Отличие состоит в том, что охлаждению подвергается лишь часть воздуха и не используется холодильный цикл с другим рабочим телом. Охлаждение достигается сжатым воздухом.

Составим энергетический баланс для части установки, ограниченной штриховой линией

откуда

Полученное уравнение аналогично такому же для процесса Линде. Оно отличается членом (1-М)(i₇ - i₈), обусловленным работой детандера.

Величину (i₇ - i₈) = Di_д называют холодопроизводительностью детандера.

Вводя в формулу те же обозначения, которые были использованы при анализе цикла Линде, получим:

Формула позволяет установить, какое влияние на процесс ожижения оказывает введение в систему детандера. Та часть процесса охлаждения воздуха, которая связана с дроссель-эффектом, учитывается членом Di_Т. Дополнительное охлаждение, обусловленное внешней работой, определяется величиной Di_д, относящейся к части воздуха (1-М), который проходит через детандер. Выражение (1-М)×Di_д входит в числитель формулы, следовательно, введение детандера позволяет увеличить долю ожиженного воздуха у.

Когда часть воздуха, направляемая в детандер, равна нулю, цикл Клода переходит в цикл Линде и изменение температур воздуха в теплообменнике соответствует линиям 2-3¹ и 6 - 11.

Отвод части сжатого воздуха в детандер приводит к тому, что воздух, значительно охлажденный при расширении в детандере, производит в теплообменнике II дополнительное охлаждение сжатого воздуха, поступающего на дросселирование.

Увеличение доли воздуха (1-М), поступающего в детандер, приводит к возрастанию выхода у, но до определенного предела.

В результате увеличивается доля ожиженного после дросселирования воздуха (т. 3 диаграммы в сравнении с т. 3¹), а количество газообразного воздуха М, попадающее в обратный поток, уменьшается.

Однако при уменьшении М снижение температуры сжатого воздуха в теплообменнике II и ожижителе III может происходить до тех пор, пока в какой-либо точке температура не сравняется с температурой воздуха обратного потока, т.к. последний может охлаждать сжатый воздух и нагреваться сам только в том случае, если между ними существует разность температур. Как только на каком-то участке теплообменника разность температур становится равной нулю, теплообмен прекращается. Поэтому долю воздуха, подаваемого в детандер, принимают возможно большей, но такой, чтобы наименьшая разность температур не превышала 3-5 град. В этом случае значение у будет наибольшим.

При малом значении М воздух обратного потока будет недостаточно нагрет, что приведет к увеличению DТ_2-11; потери от недорекуперации Di_н возрастут настолько, что перекроют возрастание Di_д(1-М).

Поэтому увеличение доли воздуха, направляемого в детандер, возможно до определенного предела, после которого увеличение (1-М) приводит к уменьшению величины у.

Для процессов с применением детандера важное значение имеет соответствие между давлением сжатого воздуха и температурой перед детандером. Расчеты показывают, что для различных давлений существует наивыгоднейшая температура входа воздуха в детандер Т₇, при которой можно отвести на расширение наибольшее количество воздуха и получить максимальное значение у.

Известен график зависимости Т₇=f(1-М), составленный Г.Хаузеном, на котором нанесены оптимальные температуры воздуха перед детандером при различных давлениях в зависимости от величины (1-М). При этих температурах и соответствующих им количествах детандерного воздуха выход жидкого воздуха будет наибольшим при наименьшем удельном расходе энергии.

Из диаграммы (рис.25.3.) видно, что чем ниже температура Т₇, тем больше воздуха при данном давлении можно отвести в детандер.

В действительности при низких температурах входа Т₇ расширение газа в поршневом детандере приводит к увеличению потерь и, следовательно, к уменьшению у.

В результате, несмотря на то, что (1-М) увеличивается, общая величина (1-М) Di_д при слишком низкой температуре Т₇ снижается. Поэтому в каждом случае есть такая величина (1-М), несколько меньше максимальной, при которой выход жидкого воздуха у наибольший. Точки каждой изобары, соответствующие этому условию, соединены штриховой линией А-В. Кривая А-В показывает, что при повышении давления величина (1-М), при которой у достигает максимума, снижается.

Несмотря на то, что в цикле с детандером допустимы более низкие давления сжатия, чем в цикле с дросселированием, и, казалось бы, возможно получение жидкого воздуха весьма экономичным способом, все же расход энергии на 1 кг перерабатываемого воздуха незначительно меньше, чем в цикле с дросселированием и аммиачным охлаждением. Причина в том, что в цикле с детандером возникают дополнительные потери холода в поршневом детандере и потери в результате неполного использования работы расширяющего в нем воздуха

10.4 Технические процессы разделения воздуха (резерв)

Воздух – это, в основном, смесь азота, кислорода и аргона. Поместив эти газы в чистом виде в количествах, соответствующих содержанию их в воздухе, в общий сосуд, получим смесь, аналогичную по составу атмосферному воздуху, причем смешение газов произойдет само собой, без затраты внешней энергии.

Разделение же смеси на составные части самопроизвольно не произойдет, а требует расхода энергии.

Следовательно, процесс смешения газов является необратимым – он может протекать самопроизвольно только в одном направлении.

Если жидкость состоит только из одного вещества, то и пары над нею будут содержать только это вещество, например, пары воды над водой, пары спирта над спиртом.

А если жидкость состоит из двух или более веществ с различной температурой кипения, способных растворяться одно в другом?

В этом случае в паре содержатся те же вещества, что и в жидкости, однако его состав отличается от состава жидкости. Например, в смеси воды и спирта последний более летуч и кипит при более низкой температуре, чем вода. Поэтому при нагревании смеси спирт быстрее испаряется, и в паре над жидкостью спирта будет содержаться больше, чем в жидкости.

При заданных давлении и температуре и установившемся тепловом равновесии между жидкостью и паром состав пара над жидкостью является совершенно определенным и зависит только от состава жидкости. В этом случае говорят, что пар и жидкость находятся в равновесном состоянии. Нарушение этого равновесия вызывает соответствующие изменения состава жидкой и паровой фаз.

Аналогично происходит при разделении жидкого воздуха на азот и кислород. В процессе нагревания без отвода паров жидкого воздуха из него в первую очередь испаряется азот, имеющий более низкую температуру кипения (-196⁰С, 77,36 К при Р₂=0,101 МПа).

Наряду с азотом, но в меньшей степени, из жидкого воздуха будет испаряться кислород (температура кипения –183⁰С, 90,19 К при Р₂=0,101 МПа). Поэтому в жидкости всегда содержится больше кислорода, чем в паре, а в паре больше азота, чем в жидкости. Такой переход азота в пар происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние между жидкостью и паром, соответствующее их температуре и давлению.

Рассмотрим процессы испарения и конденсации бинарной смеси двух веществ А и В на диаграмме в координатах «концентрация – температура» (рис.28.1.).

По оси абсцисс вправо отложены доли x_А вещества А в смеси, влево соответственно доли x_В вещества В. По оси ординат отложены значения температуры.

Точка А на правой ординате соответствует температуре кипения Т_А чистого вещества А (x_А=1,0).

Точка В на левой ординате соответствует температуре кипения Т_В чистого вещества В (x_В=1,0).

Легкокипящим веществом является А, так как Т_А<Т_В.

Нижняя кривая относится к жидкости, верхняя – к пару.

Предположим, что имеется некоторое количество жидкой смеси концентрации x_А=0,25 или, что то же самое, x_В=0,75 с температурой Т₁. Это состояние жидкости на диаграмме обозначено точкой 1. Если к жидкости подводить тепло, то ее температура начнет возрастать и точка, отображающая состояние раствора, будет перемещаться по прямой 1-2`.

В точке 2^` начнется кипение жидкости при температуре Т₂. Пар с той же температурой Т₂, что и жидкость, отличается от нее по составу, т.к. содержит большее количество легкокипящего вещества А (точка 2^``).

Аналогично будет проходить процесс кипения для жидкости любого другого состава, например, в точках 3^{`</sup> и 4<sup>`}.

Соединив точки В-2^{`</sup>-3<sup>`}-4^`-А, получим так называемую линию кипения. Соединив точки В-2^{``</sup>-3<sup>``}-4^``-А, получим линию конденсации.

Площадь, заключенную между линиями кипения и конденсации, называют областью влажного пара.

При выпаривании жидкости, начавшемся в точке 2^`, количество пара будет постепенно увеличиваться, а жидкости соответственно уменьшаться. Т.к. в пар переходит большее количество легкокипящего вещества А, то жидкость будет постепенно обогащаться тяжелокипящим веществом В и температура ее кипения постепенно возрастет.

В точке 5, например, раствор будет представлять собой систему, находящуюся при температуре Т₅>Т₂ и состоящую из кипящей жидкости состава x₅^` и равновесного ей пара состава x₅^``.

Количество жидкости и пара будет относиться соответственно как отрезки 5-5^`` и 5-5^` (правило отрезков).

При дальнейшем парообразовании количество жидкости будет уменьшаться, а пара увеличиваться. При этом температура повышается и содержание тяжелокипящего компонента В как в паре, так и в жидкости возрастает.

Наконец, в точке 6^`` испарится последняя порция жидкости, состав которой к этому времени будет характеризоваться величиной x₆^`. Она перейдет в пар того же состава, что и исходная жидкость.

Последующий нагрев пара уже не вызывает изменение его состава, т.к. он представляет собой обычную газовую смесь той же концентрации, что и исходная жидкость (точка 7).

Процесс конденсации бинарной смеси происходит по тем же закономерностям, но в обратном порядке.

Можно осуществить испарение или конденсацию так, чтобы полученные продукты непрерывно отводились из сосуда, в котором они образуются. Такой процесс называется фракционированным испарением или конденсацией.

В процессе фракционированного испарения или конденсации воздуха можно получить два продукта, один из которых будет обогащен тяжелокипящим, а другой легкокипящим веществом.

Прежде чем перейти к рассмотрению процесса ректификации, отметим, что по мере увеличения давления, температуры кипения азота, кислорода и их смесей повышаются, а расстояние между кривыми кипения и конденсации уменьшается. Это означает, что разница в составах пара и жидкости тем меньше, чем выше давление. В области критических температур компонентов эта разница исчезает.