Комбіновані цикли з дроселем та детандерами
Після створення детандерів (низькотемпературних двигунів) їх почали використовувати як основний розширювальний пристрій. Встановлювали по всьому потоці високого тиску.
Малюнок 152. Детандерний зріджувальний цикл.
Основною метою використання детандерів було збільшити кількість одержуваної рідини, проте заміна дроселя на детандер не дозволила одержати рідини. Однією з причин є випаровування рідини в порожнині циліндра детандера внаслідок теплоприток. Друга причина – неефективна робота детандера при закінченні поділу пародіжкісної області.
Тому детандер стали використовувати не в якості остаточного пристрою для розширення, а на частини стисненого потоку на темп. рівні , що перевищує значення , при якому виходить парорідинна суміш.
Детандери встановлюють на трьох температурних рівнях:
1) Початок розширення в детандері відбувається на температурному рівні ізотермічного стиску в компресорі (цикл Гейланду)
2) На проміжному температурному рівні
3) На найнижчому температурному рівні (цикл Клоду) за умови, що після детандера не утворюється парорідинної суміші.
Зазвичай перші два цикли використовуються для зрідження газів. Останній-в газорозділових установках.
Малюнок 153. Цикл Гейланда.
1) З точки зору використання детандерів цикл Гейланду є найбільш переважним, оскільки початок розширення у детандерів відбувається на найвищий температурний рівень-температура ізотермічного стискування.
2) Теоретично температура Т10 після розширення в детандері та Тy зворотного потоку на виході з нижнього теплообмінника мають бути однакові. В реальностівідбувається деяка різниця температур, що призводить до додаткової втрати змішування.
3) Основним холодновиробничим процесом у циклі є розширення в детандері з відведенням зовнішньої теплоти, оскільки навіть для газів з температурою інверсії вище температури навколишнього середовища тепловий ефект розширення на порядок менший ніж робота в детандері. Тиск стиснення в циклі Гейланду обумовлюється верхнім тиском інверсії газу, що використовується при температурі ізотермічного стиску в КМ.
Наприклад, повітря ця величина становить 42 МПа.
Зазвичай максимальний тиск вбирається у 20 МПа. З рівняння теплового балансу можна визначити коефіцієнт зрідження циклу:
Оптимізація даного циклу відбувається не тільки за величиною pн , але і відносною кількістю потоку D , що йде на детандер з формальної точки зору. Чим більша величина D, тим, за формулою, більший коефіцієнт зрідження. Тому проводять більш глибокий аналіз для отримання оптимального значення D.
Детандер стоїть на проміжному чи низькому температурному рівні.
Використовують 3 теплообмінники.
Малюнок 154. Цикл Клода.
Установка нижнього теплообмінника дозволяє мінімізувати втрати змішування.
Формально коефіцієнт зрідження визначатиметься за тією ж формулою, що й у попередньому випадку, але робота детандера буде меншою, оскільки температура початку процесу розширення знижується.
Практично робота установки по циклу з детандерами багато в чому визначається роботою теплообмінників.
Оскільки в нижньому теплообміннику зворотний потік за кількістю вдвічі менший за прямий потік, то охолодження прямого потоку буде досить слабким, І в ряді випадків температура перед дросерами буде досить високою іпісля дроселерів. Буде мало рідини. Тому необхідно зменшити температуру прямого потоку на виході в нижній теплообмінник. Це можна зробити за допомогою зниження температурного рівня детандера відповідно знизити температуру на вході в детандер.
lдет=180 кДж/кг газу в детандері
x = 0,273; Ne 0 = 877 кДж/кг рідк.
ΔhT1 0 від частки детандерного потоку.
Чим вище тиск, тим цикл стає ефективнішим (збільшується робота детандера).
Малюнок 155. Залежність Ne 0 від частки детандерного потоку.
Для кожного pH КМ існує оптимальна кількість детандерного потоку при якому виходить мінімальна робота, необхідна для зрідження газу.
Що тиск, тим менше оптимальне значення детандерного потоку D.
Необхідно оптимізувати значення температури на вході в детандер.
У циклі Гейланда та Клода використовується високий тиск стиснення, тобто доводиться застосовувати важкі та маловрівноважені КМ.
У разі якщо необхідно зріджувати повітря у великих кількостях для установок, що поділять повітря, то використання детандерних циклів з високим тиском вкрай трудомістко.
Тому Капіца запропонував модифікований цикл Клодас детандерів, що стоїть на найнижчому температурному рівні.
1) Використовувався низький тиск 6-7 атм. І використовували теплокомпресори. Це призвело до великої витрати енергії та невеликого коефіцієнта зрідження х=0,05 і великої кількості потоку, що проходить через детандер D=0,94.
2) Замість поршневих детандерів використовувалися турбодетандери з прямими лопатками ізоентропний ккд такого детандера становив 0,82.
3) Заміна рекуперативних теплообмінників, виготовлених з мідної трубки, (великих і важких) на системурегенераторів, що перемикаються На регенератори, що спочатку заповнюються базальтовими камінням, а потім мет. Насадкою (стружкою, обрізками дроту), а потім правильною (упорядкованою насадкою – алюмінієвим гофралістом з отворами) це дозволило збільшити поверхню теплообміну до 1000 м2 на кубометр об'єму.
Достоїнства установки Капиці
1) Порівняно малі розміри, внаслідок використання регенераторів.
2) Рівняння турбомашин, що використовуються в порівнянні з поршневими.
3) Наслідок потрапляння олії в повітряний тракт, оскільки олія використовувалася тільки для змащування турбомашин.
4) Заміна складної системи очищення стисненого повітря, використовуючи регенератор, усередині якого при охолодженні стисненого повітря десублімується H2O, Co2 і СnHm.
1) Підвищена витрата електрики. 1,5-1,6 (кВт * год) / кг (рідкого повітря)
Малюнок 156. Схема і TS-діаграма циклу Капіци.
Газ після турбокомпресора охолоджується в кінцевому теплообміннику і потім повітря охолоджується в холодному регенераторі куди прямує системою клапанів. Охолоджене повітря т.2 роздвоюється- більша частина йде через детандер, а менша - через рекуперативний тобто де охолоджується т.3 і дроселюється з великою кількістю рідини, що вийшла.
Рідина виводиться з установки у ВРУ, а пар, що утворився, змішується з потоком з детандера т.5, нагрівається в рекуперативному теплообміннику і через систему перемикаються клапанів подається в «теплий» регенератор, охолоджуючи його і після цього надходячи на всмоктування в турбокомпресор.
Температура повітря високого тиску на виході з регенератора повинна бути такою, що після розширення в детандері в точці 5 вийшла б практично насичена пара, тобтовтрати змішування в точці 5 не відбувається і прямий потік з прямого рекуперативного теплообмінника в точці 3 не тільки охолоджується а й конденсується з наступним переохолодженням рідини.
Тому на вхід дросель подається лише рідке повітря і після дроселювання виходить понад 90% насиченої рідини.
Використання циклу Капіци дозволило створити установки для отримання газоподібного О2 продуктивність 35000 нм3/год
Властивості твердих тіл за низьких температур.
1) Міцні характеристики ( межа міцності , плинності та межа втоми)
Зі зниженням температури внаслідок скорочення швидкості руху молекул, міцнісні властивості покращуються.