Дросселирование газов

Холодильные циклы без отдачи внешней работы (с дросселированием газа)

Рассмотрим холодильный цикл с дросселированием газа (рис. 1). Газ с давлением P1 и абсолютной температурой Т1 изотермически сжимается в компрессоре I до давления P2 (линия 1 - 2), после чего, пройдя дроссельный вентиль II , газ расширяется до первоначального давления P1 , а его температура снижается до Т3 (линия 2 – 3 при i2=const). Охлажденный газ нагревается в подогревателе III до первоначальной температуры Т1 (линия 3 – 1 при р1 =const), отнимая от охлаждаемой среды количество тепла, равное холодопроизводительности 1 кг газа:

q0=qдрос. =i1-i2

(Рис. 1)

Таким образом, холодопроизводительность при дросселировании равна разности энтальпии газа (i1-i2) до и после изотермического сжатия в компрессоре.

Количество тепла, отводимого при изотермическом сжатии газа, равно: -q=T1∆S

где ∆S – изменение энтропии (длина отрезка 1 - 2).

Работа, затраченная в компрессоре на сжатие газа (при температуре Т1), согласно уравнению l+q=i2 – i1 составляет

lкомпр. =-q+( i1-i2)= T1∆S-qдрос.

или с учетом к. п. д. компрессора ŋк

lкомп.= T1∆S-qдрос

ŋк

Температура после дросселирования может быть снижена путем рекуперации холода. Для этого сжатый газ до поступления в дроссельный вентиль пропускают через теплообменник, где охлаждают расширенным газом перед его подачей в компрессор из подогревателя. Холодопроизводительность и затрата работы на сжатие газа при рекуперации холода не изменяются.

Используя дросселирование воздуха в сочетании с рекуперацией холода, К. Линде разработал рассматриваемые ниже циклы получения жидкого воздуха.

Цикл с простым дросселированием.

Сжатый в компрессоре I и охлажденный до комнатной температуры воздух поступает в теплообменник II в точке 2. Пройдя теплообменник, воздух дросселируется до атмосферного давления и вновь направляется в теплообменник, двигаясь противотоком по отношению к поступающему сжатому воздуху. Дросселированный воздух охлаждает сжатый воздух, вследствие чего температура последнего перед дросселированием все более снижается, пока не наступает частичное снижение воздуха в точке 4. После этого жидкий воздух выводится из системы и в теплообменник возвращается лишь несжиженная часть воздуха.

На диаграмме T – S линия 1- 2 выражает изотермическое сжатие воздуха в компрессоре, линия 2 – 3 – охлаждение сжатого воздуха в теплообменнике (при постоянном давлении P2), линия 3 – 4 – дросселирование при (i=const). Точка 4 изображает состояние воздуха после

дросселирования. Она лежит в области влажного пара, причем доля сжиженного воздуха х равна отношению отрезка 4 – 5 к отрезку 0 – 5, а точки 0 и 5 изображают состояние жидкого и несжиженного воздуха. Линия 5 – 1 изображает нагревание несжиженной части воздуха (при постоянном давлении P1).

(Рис. 2)

Из уравнения q0=x(i1-i0)+qn и q0=qдрос.=i1-i2 холодопроизводительность цикла составляет:

q0=x(i1-i0)+qп.= i1-i2

Разность i1-i2 возрастает с повышением давления сжатия P2 , поэтому длинный цикл требует применения значительного давления (около 200 ат) и связан с большим расходом энергии.

Цикл с двукратным дросселированием

Расход энергии на сжатие воздуха можно уменьшить, если дросселирование сжатого воздуха производить до некоторого промежуточного давления (20 – 50 ат), направляя несжиженную часть в компрессор II , где она снова сжимается до высокого давления (200 ат). Полученный в сборнике промежуточного давления V жидкий воздух для удаления его из системы дросселируется до атмосферного давления и поступает в сборник давления VII; при испаряется часть жидкого воздуха. Испаренный воздух т несжиженная часть воздуха после первого дросселирования проходят через теплообменник III , где нагреваются и охлаждают воздух, сжатый до высокого давления.

Взамен жидкого и испаренного воздуха, удаляемых из системы, вводится такое же количество свежего воздуха, который сжимается во вспомогательном компрессоре I до промежуточного давления.

На диаграмме T – S линия 2 – 3 изображает сжатие в компрессоре от промежуточного до высокого давления, линия 3 – 4 – охлаждение в теплообменнике, линия 4 – 5 – первое дросселирование, линия 7 – 2 – нагревание в теплообменнике несжиженной части воздуха, линия 6 – 8 – второе дросселирование и линия 9- 1 – нагревание в теплообменнике воздуха, испаренного при втором дросселировании.

Пусть на 1 кг поступающего в теплообменник воздуха высокого давления подается М кг свежего воздуха (обычно М=0,2 – 0,5); тогда через первый дроссельный вентиль проходит 1 кг, а через второй М кг воздуха. В соответствии с этим холодопроизводительность цикла составляет:

q0= x(i1-i0)+qп=(i2-i3)+M(i1-i2)

Первый член этого выражения (i2-i3) представляет собой холодопроизводительность, обусловленную дросселированием 1 кг воздуха от высокого давления до среднего, а член M(i1-i2) – холодопроизводительность, обусловленную дросселированием М кг воздуха от среднего давления до 1 ат.

(Рис. 3)

Цикл с предварительным охлаждением

Дальнейшим усовершенствованием холодильных циклов с дросселированием является предварительное охлаждение сжатого воздуха холодом, полученным в аммиачной холодильной установке. Сжатый воздух (рис. 4) сначала охлаждается обратным потоком несжиженной части воздуха в предварительном теплообменнике II , а затем поступает в аммиачный холодильник III , где охлаждается за счет испарения аммиака до температуры около -40° С. Далее воздух охлаждается в главном теплообменнике IV , после чего дросселируется. Несжиженная часть воздуха проходит через главный и предварительный теплообменник. Назначение предварительного теплообменника заключается в полном использовании холода несжиженной части воздуха, которая в главном теплообменнике может быть нагрета лишь до температуры охлаждения сжатого воздуха в аммиачном холодильнике.

На диаграмме T – S 2״ соответствует охлаждению воздуха в предварительном теплообменнике, а точка 2׳ – его охлаждению в аммиачном холодильнике. Точка 1׳, характеризующая состояние несжиженной части воздуха на выходе из главного теплообменника, отвечает той же температуре, что и точка 2׳.

Холодопроизводительность цикла составляет:

q0=x(i׳1-i0)+qп. = i׳1 – i׳2

т. е. равна разности энтальпий несжиженного воздуха, уходящего из главного теплообменника, и сжатого воздуха, поступающего в этот теплообменник.

Количество тепла, отнимаемого в аммиачном холодильнике, составляет:

qам.=(i׳1-i׳2) – (i1- i2)+x(i1-i׳1)

т. е. равно разности холодопроизводительностей данного (i׳1-i׳2) , необходимое для охлаждения сжимаемой части воздуха от температуры засасываемого воздуха до температуры охлаждения в аммиачном холодильнике при 1 ат.

(Рис. 4)

Цикл с двукратным дросселированием и предварительным охлаждением.

Этот цикл является комбинацией циклов с двукратным дросселированием и предварительным охлаждением.

Холодопроизводительность цикла:

q0=x(i׳1-i0)+qп=(i׳2-i׳3)+M(i׳1-i׳2)

Количество тепла, отводимого в аммиачном холодильнике, составляет:

qам=[(i׳2-i׳3)+ M(i׳1-i׳2)]-[(i2-i3)+M(i2-i1)]+ x(i1-i׳1)

т. е. равно разности холодопроизводительностей данного цикла и цикла с двукратным дросселированием без предварительного охлаждения плюс тепло x(i1-i׳1), необходимое для охлаждения сжижаемой части воздуха от температуры засасываемого воздуха до температуры охлаждения в аммиачном холодильнике при 1 ат.

Здесь величины i1 и i3 соответствуют точкам 2 и 3 на рис. 3, а i׳1,i׳2 и i׳3 – энтальпии воздуха при температуре после аммиачного холодильника и соответственно низком, среднем и высоком давлениях.

Холодильные циклы с расширением сжатого газа в детандере

Цикл высокого давления (цикл Гейландта)

Сжатый до давления ~200 ат воздух (рис. 5) разделяется на две части, из которых одна направляется в детандер II, а другая в теплообменник III и далее в дополнительный теплообменник IV.

Охлажденный в теплообменниках воздух дросселируется и часть его сжижается. Несжиженная часть проходит дополнительный теплообменник, после чего смешивается с воздухом, расширившимся и охладившимся в детандере. Эта смесь охлаждает сжатый воздух в теплообменнике III.

Обозначенная через M долю воздуха, проходящего через детандер (величину М принимают 0,5 – 0,6), согласно уравнению q0=(i1-i2)+(i2-i׳3)=qдрос.+lдет. имеем:

q0=x(i1-i0)+qп.=(i1-i2)+M(i2-i8)

Первый член (i1-i2) выражает холодопроизводительность, получаемую в результате дросселирования, а член M(i2-i8) – холодопроизводительность, соответствующую работе отданной, в детандере. Коэффициент полезного действия детандера в условиях данного цикла составляет ~0,7.

(Рис. 5)

Цикл среднего давления .

Сжатый до давления 25 – 40 ат воздух поступает в предварительный теплообменник II, где охлаждается до температуры около -80˚ С (точка 3). Затем часть воздуха поступает в детандер III, где, расширяясь до 1 ат, охлаждается до температуры порядка -140˚ С. Другая часть воздуха охлаждается в главном теплообменнике IV и при этом конденсируется. Жидкий воздух для удаления его из системы дросселируется до атмосферного давления и поступает в сборник VI. Испаренная при этом часть воздуха вместе с воздухом, выходящим из детандера, проходит через главный и предварительный теплообменник.

Обозначая через M долю воздуха, походящего через детандер (М принимают ~0,8), находим холодопроизводительность цикла:

q0=x(i1-i0)+qп.=(i1-i2)+M(i3-i8)

Недостатком данного цикла является работа детандера при низких температурах, что приводит к снижению его к. п. д. до 0,6 – 0,65.

(Рис. 6)

Цикл низкого давления.

Недостатком цикла среднего давления, заключающийся в низком к. п. д. детандера при работе его в условиях низких температур, может быть устранен применением турбодетандера. П. Л. Капица разработал конструкцию турбодетандера, обладающего высоким к. п. д. при низких температурах, что позволило снизить давление сжатого воздуха и осуществить цикл низкого давления (Рабс.=5,5 – 6 ат). Это в свою очередь сделало возможным применение для сжатого воздуха турбокомпрессоров и использования регенераторов в качестве теплообменников. Принципиальная схема цикла низкого давления такая же, как и схема цикла среднего давления.

Список литературы

Процессы и аппараты химической технологии (А. Н. Плановский, В. М. Рамм, С. З. Ка