Будневич С.С. Процессы глубокого охлаждения

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 1.

Сводные данные расчета

Определяемая величина и ее размерность

Номер

расчетной

формулы

Численное

значение

Удельная холодопроизводительность соединен-

ного цикла, ккал *

(1.35) 36,9

Холодопроизводительность, вводимая в соеди-

ненный цикл дроссельным циклом промежуточ-

ного давления, ккал

(1. 36) 28,9

Удельное количество воздуха, циркулирующего

в дроссельном цикле промежуточного давления, кг

(1. 37)

5,17

Энтальпия точки 5, ккал/кг

—

22,1

* Материальные и тепловче потоки отнесены к :

ления.

1 кг воздуха низкого дав-

Таблица 1.10

Изменение параметров потоков воздуха по длине теплообменника ///

1 С1

С и:

с я

Воздух высокого Воздух промежуточного

Воздух низ-

кого давле-

ния

^ к

т.

давления давления

Воздух низ-

кого давле-

ния

а> §

а 2

'в Ыр

'к

ккал/кг

"К

/ 7,17

104,10 300,0

7,П

109,70 300,0

112,10 300,0

96,93 277,5 101,97 270,0

7,17

1,1Ъ

7,73

III 7,17

89,76

255,0

1,1Ъ

7,73

94,24

241,5

7,17

82,59 236,0

7,73

86,51 214,0

7,17

75,42 216,0

7,73

78,78

189,0

7,17

68,25

199,0 71,05 164,5

VII

VIII

7,17

61,08

53,91

183,0

167,5

7,73

63,32

55,59

151,5

141,8

46,74

152,5

47,86

137,5

7,17

7,73

39,57

137,5

40,13

132,0

7,17

1,1Ъ

32,40

122,5

32,40 122,5

69,30 122,5

отрицательный температурный напор между потоками (воздух

высокого давления, отдающий тепло, имеет более низкую темпера-

туру, чем воздух низкого давления, воспринимающий тепло).

Если оставить величину потоков воздуха без изменения, то

теоретический предельный принципиально возможный режим

а) М/.ккал/кг

кО

\ \

ч \

Тар

120 160 200 2к0 280

Т,"К

&1(1,ккал/кг

ч ч

80 120

200 г'/о 28от;к

Рис. I. 22. Изменение температуры газовых потоков в

теплообменнике III

теплообмена между потоком воздуха высокого и низкого давления

получается путем параллельного перенесения температурной пря-

мой воздуха низкого давления в касательное положение к темпе-

ратурной кривой потока высокого давления (штриховая прямая

на рис. 1. 22, б). В этом случае по всей высоте теплообменника

температурный напор между названными потоками имеет положи-

тельную величину и только в сечении, где температурные линии

касаются, перепад температур равен нулю. Последнее и опреде-

ляет возможный режим.

Таким образом, при сохранении ранее полученной величины

потоков воздуха предельный возможный режим определяется

температурой выхода воздуха низкого давления из теплообмен-

ника III 287° К (штриховая линия на рис. 1. 22, б) вместо 300° К

в расчетном невозможном режиме. Вместе с этим потоком выбрасы-

вается часть холодопроизводительности соединенного цикла А(?о =

• - 3,12 ккал/кг в. н. д. Это потери от неполного теплообмена

(недорекуперации). Особенностью этих потерь в данном случае

является то, что они вызваны не конечной величиной теплообмен-

ной поверхности аппарата III, а принципиальной невозможностью

подогрева воздуха низкого давления в регенеративном теплообмене

с воздухом высокого давления до температуры Тд (см.рис. 1. 21)

из-за переменной величины теплоемкости последнего. Наличие

этих потерь холода скажется в теоретическом процессе в том, что

воздух низкого давления, входящий в теплообменник III (выхо-

дящий из теплообменника IV), будет иметь температуру 109,5° К

(штриховая прямая на рис. 1. 22, б) вместо 122,5° К в рассчитан-

ном режиме (сплошная прямая). В результате уменьшится коли-

чество тепла, которое отнимается от воздуха высокого давления

в теплообменнике IV, и его температура на выходе из аппарата

повысится. Удельная холодопроизводительность предельного

возможного режима

= 33,78 ккал/кг в. н. д.

Рассмотренный пример интересен тем, что при расчетном ре-

жиме и в теоретическом процессе появляются потери холода от

недорекуперации в связи с особенностями теплообмена потоков

с переменными теплоемкостями (см. п. 2.5).

Конечно, в соединенном цикле в теоретическом процессе можно

избежать потерь холода от недорекуперации. Для этого надо

уменьшить удельное количество воздуха, циркулирующего

в дроссельном цикле промежуточного давления, снизив на него

холодильную нагрузку. На рис. 1. 22, б штрихпунктирной ли-

нией проведена касательная прямая к температурной кривой

воздуха высокого давления в точке входа этого потока в теплооб-

менник III {Т = 300° К). Как видно из рисунка, температура

входа воздуха низкого давления в теплообменник III должна

при этом составлять 85° К {I = 60 ккал/кг). Так как на теплом

конце теплообменника III перепад температур между потоками

равен нулю, то потерь от недорекуперации не будет. Холодопроиз-

водительность, вносимая в этом случае в соединенный цикл дрос-

сельным циклом низкого давления, будет равна

Яйт = {н — Н') — {н — 60) = 19,6 ккал/кг в. н. д.

Холодопроизводительность соединенного цикла составит

= ^о"' " +

йот

(«1

— г'з) +

Яат

= 27,6 ккал/кг в. н. д.

Удельное количество воздуха, циркулирующего в дроссельном

цикле промежуточного давления,

п^ = -г^^ = 3,5 кг/кг в. н. д.

Н —

'з

Таким образом, в предельном возможном режиме без потерь

холода количество воздуха, циркулирующего в дроссельном цикле

промежуточного давления, снизилось по сравнению с расчетным

возможным режимом с потерями холода. В последнем оно состав-

ляло 5,17 /сг/кг б. н. (5. Существенно установить, какой из этих

предельных режимов является более эффективным. Для этого

определим удельный расход энергии в этих теоретических циклах

на 1000 ккал холода

АЯТо. ДЗОЗ (+ ««16—) ЮОО

— ^ квШ'чПтО ккал.

В режиме с потерями холода от недорекуперации из-за условий

теплообмена

8,72 квт чПШ ккал,

в режиме без потерь холода

ЛР = 8,70 квт-ч1Ш0 ккал.

Следовательно, оба теоретически осуществимых предельных ре-

жима энергетически одинаково эффективны. Второй режим пред-

почтительнее, так как установка при этом режиме должна полу-

читься проще. В этом режиме фактически отсутствует теплообмен-

ник IV. В реальном процессе точка 3' (рис. 1. 21) должна распола-

гаться выше, чем в предельном режиме, так, чтобы после дроссе-

лирования (процесс 3'-4) температура воздуха падала.

1. 6. СОЕДИНЕНИЕ ДРОССЕЛЬНОГО ЦИКЛА

С ДЕТАНДЕРНЫМ

Детандерные газовые циклы являются значительно более совер-

шенными, чем дроссельные. Вместе с тем практически оказывается,

что часто с помощью детандерного газового цикла нельзя или неце-

лесообразно из-за падения его эффективности получать холодо-

производительность на низком температурном уровне, которого

нужно достигнуть при ожижении газа. С помощью дроссельных

циклов эти температуры достигаются сравнительно просто. Поэ-

тому представляется целесообразным повысить эффективность

дроссельного цикла с помощью детандерного. На рис. 1. 23 при-

ведена принципиальная схема и изображены процессы в энтро-

пийных диаграммах теоретического соединенного с детандерным

дроссельного цикла. Детандерный цикл осуществляется газом А,

который сжимается в компрессоре / (процесс а-д), охлаждается

в регенеративном теплообменнике II (процесс Ъ-с), расширяется в

детандере III (процесс с-д)

и подогревается в тепло-

обменнике IV (процесс Л-ё),

внося развитую холодо-

производительность в дрос-

сельный цикл. Затем в ре-

генеративном теплообмен-

нике II газ низкого давле-

ния р^ подогревается до

исходного состояния а.

В дроссельном газовом

цикле в качестве рабочего

тела использован газ В. Он

сжимается в компрессоре V

(процесс 1-2), охлаждается

в регенеративном тепло-

обменнике VI (процесс

2-2Х), затем охлаждается

в аппарате IV (процесс

2Х-2), утилизируя холод

детандерного цикла газа А.

Далее сжатый газ В охла-

ждается в регенеративном

теплообменнике VII (про-

цесс 2'-3), дросселируется

до низкого давления р^

(процесс 3-4). В состоя-

нии 4 газ В поступает в

аппарат VГII, где в процессе 4-5 используется для полезного

охлаждения при самой низкой возможной температуре Т^ холодо-

производительность соединенного цикла. Затем происходит

регенеративный подогрев газа низкого давления в теплообмен-

нике VII (процесс 5-1') и в теплообменнике VI (процесс Г-1).

Приведем расчетные выражения для действительного про-

цесса

Холодопроизводительность соединенного цикла

Рис. 1. 23. Охлаждение с помощью соеди-

ненных дроссельного и детандерного циклов

дос

= (/г

VII

<7г<Г2'

ккал1кг г. В.

(1.38)

Удельная холодильная нагрузка на детандерный цикл

Яйд = [(4 — Н') —

(«1

— к), —

- АГ^" + АГ^"' + в. (1. 39)

Здесь СртАТ^' и Ср" АТ^" — потери холода от неполного теп-

лообмена в соединенном цикле

при температурах потоков газа В

выше и ниже Т>' соответст-

венно;

^2X7-2' и 97>Г2' — потери холода в окружающую

среду в соединенном и дрос-

сельном циклах.

Потери Ср" АТ^" в равенстве (1. 39) вычитаются, так как они

снижают холодильную нагрузку на детандерный цикл.

Найдем удельное количество циркулирующего в детандерном

цикле газа А. Обозначим удельные теплопритоки извне в соединен-

ном цикле при температурах потоков Т> Т^' через фут2-'

= <7г>7-2' + ктл1кг г. В. (1. 40)

Все потери холода в соединенном цикле при температурах

потоков выше Т2- компенсируются в данном случае детандерным

циклом, при этом повышается холодильная нагрузка на этот цикл

и уменьшается его удельная холодопроизводительность. И то п

другое увеличивает удельное количество циркулирующего в'де-

тандерном цикле газа. Оно может быть найдено из выражения

Пя =

(1.41)

Большое практическое распространение имеют соединенные

дроссельно-детандерные циклы, в которых рабочие тела обоих

циклов представляют собой один и тот же газ. При этом нет необхо-

димости изолировать друг от друга рабочие тела циклов. Возмож-

ность их смешения должна заметно упростить установку. На

рис. 1. 24 приведена принципиальная схема установки и показаны

процессы в энтропийной диаграмме для случая, когда рабочие тела

дроссельного и детандерного циклов представляют собой один и

тот же газ. Как и ранее, вследствие разницы в теплоемкостях газа

высокого и низкого давлений в дроссельный цикл можно ввести

холодопроизводительность более эффективного детандерного цикла

и тем самым повысить экономичность дроссельного цикла. В соеди-

ненном цикле, изображенном на рис. 1. 24, детандерный цикл

1-2-3-4-1 создает холодопроизводительность на сравнительно высо-

ком уровне, позволяя получить температуру охлаждения Т^.

Дроссельный цикл 1-2-2'-5-6-7-8-1 соединен с названным детандер-

ным. Вследствие того, что нет нужды изолировать потоки дрос-

сельного и детандерного циклов, они вместе сжимаются в компрес-

соре I и разделяются потом только в точке 3. Затем потоки низкого

давления снова смешиваются в точке 8'.

Температурный уровень, создаваемый детандерным циклом,

Т* = Т^ + АГ. Он равен температуре сжатого газа в дроссельном

Рис. 1. 24. Охлаждение с помощью соединенных дроссель-

ного и детандерного циклов при идентичности рабочих тел

циклов

цикле после теплообменника IV Тг. Максимальная холодопроиз-

водительность, которая может быть внесена детандерным циклом

в соединенный, равна

Д^о =

(<2

— Ь') — (Ь — '1') ккал1кг г. др. ц.

Приведем выражения для определения наиболее важных пара-

метров действительного соединенного дроссельно-детандерного

цикла.

Удельная холодопроизводительность соединенного цикла

(7ос

= {1у — /.г) —

с^рт

АГ^ — (7®/<г2' ктл1кг г. др. ц. (1. 42)

Здесь с^п ДГ^ и д^т<Т2' — удельные потери холода в соеди-

ненном цикле от недорекупера-

ции и через изоляционную кон-

струкцию.

• Удельная холодильная нагрузка на детандерный цикл

дод = {к — к') - (ь - ^1') - Срт АТ^^ +

+ Срт Аг" +'7г>Г2' шал/кг г. др. ц. (1.43)

Удельное количество газа, циркулирующего в детандерном

цикле,

"а =

('2

- Ч - (н - 'V)] - ^т"" + АГ" +

В равенстве (1. 44)

^Г>Г2' = + ккал/кг г. др. ц.

кг/кг г. др. ц.

(1.44)

Таблица 1.11

Параметры узловых точек процесса

(рис. 1. 23)

Для того чтобы убедиться в осуществимости соединенного

цикла, необходимо проверить возможность теплообмена между

потоками в аппаратах.

Смешение потоков рабочих

тел обоих циклов, возможное

вследствие того, что они являют-

ся одним и тем же газом (см. рис.

1.24) сильно упрощает уста-

новку: достаточно иметь один

компрессор вместо двух, а так-

же уменьшается число тепло-

обменников.

• Пример. Определить удель-

ную холодопроизводительность

соединенного с азотным детан-

дерным водородного дроссель-

ного цикла. Схема установки и

обозначения соответствуют рис.

1. 23. Определить также расход

энергии на 1000 ккал холода.

Исходные данные для расчета

следующие:

а) азотный регенеративный

детандерный цикл осуществлен

между давлениями 1 и 200 ата;

в конце расширения азота в де-

тандере получается сухой насыщенный пар;

б) водородный дроссельный цикл реализуется между давле-

ниями 1 и 150 ата\

в) холодопроизводительность соединенного цикла исполь-

зуется при самой низкой температуре в цикле, равной температуре

насыщения водорода при давлении 1 ата]

Точка р ата

т °к I ккал/кг

1 300

116,0

200 300 108,0

200

267

94,75

1,0

77,36

61,65

е 1,0

246,5

102,75

1,0

300

1010,0

150

300

1027,0

150

97,5

343,0

1,0

81,0

326,0

150 81,0 283,0

150 38,0 129,0

1,0

20,46

129,0

1,0

20,46 172,0

г) потери холодопроизводительности от неполного теплооб-

мена и через изоляционную конструкцию приняты равными нулю;

д) адиабатный к. п. д. азотного детандера -ц^д — 0,70;

е) потери давления в аппаратах и линиях не учитываются;

ж) процесс сжатия в компрессорах считается изотермическим;

з) механический к. п. д. детандера принят равным единице.

В табл. 1.11 приведены основные параметры узловых точек

процесса. Расчет соединенного цикла сводим в табл. 1. 12.

Таблица 1.12

Сводные данные расчета

Определяемая величина и ее размерность

Номер

расчетной

формулы

Численное

значение

Удельная холодопроизводительность соединен-

ного цикла, ккал * (1.38)

43,0

Удельная холодильная нагрузка на азотный

детандерный цикл, ккал (1.39)

60,0

Удельное количество азота, циркулирующего

в детандерном цикле, кг

(1.41) 1,46

Расход энергии на 1000 ккал холодопроизводи-

тельности соединенного цикла, /сет-<//1000 ккал

—

43,3

* Расчетные величины отнесены к 1 кг Нг-

Ранее был найден расход энергии на 1000 ккал холода в ана-

логичном случае в дроссельном водородном цикле, соединенном

с дроссельным'азотным.Он получился равным 6\ ,7кет• ч/\000ккал.

Следовательно, замена азотного дроссельного на азотный детан-

дерный цикл в соединенном водородно-азотном цикле позволяет

снизить расход энергии примерно в 1,4 раза.

1. 7. СОЕДИНЕНИЕ ГАЗОВЫХ ЦИКЛОВ

С ЦИКЛОМ ПАРОВОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Следует указать на значительное термодинамическое совер-

шенство действительного цикла паровой холодильной машины.

Его термодинамический к. п. д. значительно выше, чем термоди-

намический к. п. д. газовых холодильных циклов не только дрос-

сельных, но и детандерных. На рис. 1. 25 показан цикл паровой

холодильной машины. Термодинамический к. п. д. цикла равен

То. с

{8,-8,)-{(,-1,)

Чх. м

—

11,-^т

4 с. с. Будневич 753

(1.45)

Высокое совершенство холодильного цикла паровой холодильной

машины объясняется тем, что в теоретическом цикле с расшири-

тельной машиной (цикл 1-2-3-4'-1) работа последней мала

по сравнению с работой компрессора. Поэтому работа цикла близка

к работе компрессора. Вследствие этого, как было показано

в п. 1.3, переход от теоретического цикла к действительному не

сопровождается резким ухудшением показателей цикла. Дрос-

сельные потери, имеющие место в паровом цикле, невелики и не

изменяют сделанного вывода. К практическим преимуществам

паровой холодильной машины относится и большая объемная хо-

лодопроизводительность исполь-

зуемых хладагентов. В газовых

циклах объемная холодопроизво-

дительность даже при наличии

детандера сравнительно мала. В

итоге снижаются размеры машин

и коммуникаций паровой машины

по сравнению с газовой.

Расчеты показывают, что термо-

динамический к. п. д. двухсту-

пенчатой аммиачной холодильной

машины с температурой кипения

—50° С и температурой конденса-

"циГ+ 30° С равен 0,42 — 0,44. При

средней температуре воздуха в про-

цессе использования холодопроиз-

водительности — 50° С и температуре газа после компрессора

30° С термодинамический к. п. д. 'дроссельных циклов не пре-

восходит 0,08, а детандерного цикла—0,15. Следовательно,

цикл паровой холодильной машины значительно совершеннее

газовых циклов. Но газовые циклы имеют и ряд преимуществ по

сравнению с паровой холодильной машиной. Паровая холодиль-

ная машина не может дать тех низких температур, которые необ-

ходимы в промышленных установках глубокого охлаждения. Уро-

вень температур, достижимый с помощью паровой холодильной

машины, ограничен физическими свойствами используемых холо-

дильных агентов. Поэтому названная машина находит применение

для увеличения эффективности газовых холодильных циклов

и для начального охлаждения подлежащего ожижению газа до

достижимого с помощью паровой машины температурного уровня.

Дальнейшее понижение температуры газа и его ожижение воз-

можно только с помощью газовых холодильных циклов.

Рассмотрим использование холодильной машины для повыше-

ния эффективности дроссельного газового цикла. Нас

интересует область низких температур ниже той, которая может

быть получена с помощью паровой холодильной машины. Для этой

цели и предназначен газовый холодильный цикл. На рис. 1. 26

Рис. 1. 25. Процессы

ровой холодильной

цикла па-

машины в

5—Г-диаграмме