Дросселирование газов

Содержание

1)Холодильные циклы без отдачи внешней работы (с дросселированием газа)

·         Цикл с простым дросселированием;

·         Цикл с двукратным дросселированием;

·         Цикл с предварительным охлаждением;

2) Холодильные циклы с расширением сжатого газа в детандере

·        Цикл высокого давления (цикл Гейландта)

·        Цикл среднего давления

·        Цикл низкого давления

    3) Список используемой литературы

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׳.</