Основные процессы для получения низких температур в воздухосжижительных установках

2.1.1. Дросселирование

Дросселирование – это адиабатное расширение газа в условиях стационарного течения без совершения внешней работы и приращения скорости. Практически, это течение газа через какое-либо гидравлическое сопротивление – дроссельный вентиль, заслонку, жиклер, капилляр и т.п.

Поскольку не происходит энергообмена с окружающей средой, то процесс протекает при i₁=i₂=const.

В зависимости от природы газа и параметров проведения процесса температура газа может меняться по-разному:

- понижаться – < 0, т.е. T₂<T₁;

- повышаться – ¶T > 0, т.е. Т₂>Т₁;

- оставаться неизменной – ¶Т=0, т.е. Т₂=Т₁.

Это явление носит название дроссель-эффекта Джоуля-Томсона в честь британских физиков, исследовавших это явление.

Различают дифференциальный, интегральный и изотермный дроссель-эффекты Джоуля-Томсона.

Дифференциальный дроссель-эффект a_I, это отношение бесконечно малого изменения температуры газа к бесконечно малому изменению давления при i=const:

. (2.1)

Здесь ¶Р< 0 – всегда, т.к. Р₂ < Р₁. Тогда при понижении температуры, т.е. при Т₂< Т₁: ¶Т> 0 и, следовательно, a_i> 0. Это положительный дроссель-эффект.

Интегральный дроссель-эффект DT_i показывает суммарное изменение температуры при конечном перепаде давлений DР_i(при i=const):

. (2.2)

Изотермный эффект дросселирования представляет собой разность теплосодержаний сжатого (до дросселирования) и расширенного газа при одной и той же температуре – Di_T. Это очень важная величина в расчетах криогенных установок.

Между изотермным и интегральным эффектами Джоуля-Томсона существует зависимость:

, (2.3)

где с_р – средняя изобарная теплоемкость воздуха в интервале изменения температур при дросселировании.

Один и тот же газ при различных начальных температурах может иметь различный дроссель-эффект. Рассмотрим это на примере воздуха (t, s-диаграмма на рис.2.1).

Рис.2.1. Отображение процессов дросселирования воздуха на T, s-диаграмме

Воздух дросселируется от начальных параметров Р₁ и Т₁ (т. 1) до давления Р₂. Конечное состояние отображается т. 2. Она лежит на пересечении изобары Р₂ и изоэнтальпы i_1-2. Видно, что Т₂<Т₁, т.е. газ охлаждается. Это наблюдается в том случае, если линии i=const имеют падающий характер со снижением давления.

Эти линии имеют максимумы, которые с повышением температуры смещаются в сторону низких давлений. При этом максимумы становятся менее выраженными и при какой-то температуре исчезают совсем. Эта температура называется температурой инверсии.

Линия, соединяющая максимумы изоэнтальп, называется инверсионной кривой. Инверсионная кривая делит диаграмму на две области. В правой области дросселирование приводит к охлаждению воздуха (процессы 1-2, 1'-2', 7-8). В левой – к нагреву (начало процесса 1"-2"). К нагреву ведет и процесс дросселирования, если начальная температура газа выше Т_инв (процесс 5-6).

У водорода и гелия Т_инв значительно ниже температуры окружающей среды, поэтому дросселирование этих газов при Т_о.с приводит к их нагреву и не может быть использовано для понижения температуры.

Из диаграммы видно, что дроссель-эффект DT_i будет максимальным, если начальное давление дросселирования лежит на кривой инверсии. Для воздуха с температурой Т_о.с это давление составляет примерно 42 МПа. Дальнейшее повышение давления приводит к понижению охлаждающего эффекта (см. процессы 1-2, 1'-2', 1"-2", проведенные при одной и той же начальной температуре).

На практике, при дросселировании воздуха с начальной температурой Т_о.с и давлениях Р₁=20 МПа и Р₂=0,1 МПа, эффект охлаждения составляет примерно 30°.

Максимальный эффект охлаждения для любого газа достигается при дросселировании в области влажного пара и в близи критической точки.

2.1.2. Расширение газа в детандере

Наиболее эффективным способом получения низких температур был бы изоэнтропный процесс расширения газа. Это процесс расширения с совершением работы при отсутствии теплообмена с окружающей средой и при отсутствии какого-либо трения (т.е. процесс для идеального газа).

На диаграмме (см. рис. 2.2) этот процесс изображается вертикальной линиией 1-2_ад (s=const).

Рис.2.2. Сравнение эффектов охлаждения воздуха при различных видах его расширения:

1-2_ад – изоэнтропный процесс;

1-2 – расширение в детандере;

1-3 – дросселирование

В таком процессе начальные и конечные параметры газа связаны уравнением адиабаты:

, (2.4)

где k=1,4 – показатель адиабаты для воздуха.

Отсюда конечный эффект понижения температуры можно вычислить:

. (2.5)

В реальных условиях изоэнтропный процесс расширения реализовать нельзя, так как газ обладает вязкостью и всегда присутствует трение. Нельзя также избежать теплопритока. Поэтому реальные процессы идут с меньшим эффектом охлаждения DТ_дт и с увеличением энтропии – процесс 1-2.

Величина эффекта охлаждения будет зависеть от КПД детандера – механизма, в котором производится расширение. Значение внутреннего относительного КПД, достаточно точно для практических расчетов, может быть вычислено по соотношению:

. (2.6)

На практике применяют поршневые детандеры и турбодетандеры. Поршневые машины имеют ряд преимуществ перед турбодетандерами:

а) широкий диапазон начальных значений температур и давлений, особенно при высоких давлениях и малых производительностях;

б) хорошо регулируются, просты в эксплуатации;

в) имеют более высокий КПД - h_пд =0,7-0,85.

К недостаткам поршневых детандеров следует отнести:

а) меньший ресурс и надежность;

б) хуже массовые и габаритные характеристики на единицу производительности.

Турбодетандеры (ТД) применяют в средних и крупных криогенных установках. Это газовые турбины, как правило, радиального типа – центробежные или центростремительные. Более эффективны центростремительные ТД (движение газа от периферии к центру), особенно небольших размеров.

Наиболее эффективны турбодетандеры конструкции П.Л. Капицы, созданные им в 1938 г. (КПД > 0,8). В настоящее время КПД крупных ТД с диаметром рабочего колеса 200-250 мм достигают значений 0,85-0,9.

В меньших ТД: при D_р.к=100-200 мм, КПД составляет 0,85-0,9;

30-100 мм – 0,6-0,7;

10-30 мм – 0,3-0,4.

Основная трудность – в создании надежной теплоизоляции. Нужны хладостойкие материалы, т.к. обороты ротора велики. Нужны специальные опоры с газовой смазкой. Каналы проточной части должны выполняться очень тщательно.

Срабатываемые перепады давлений невелики, т.к. они ограничены скоростями потоков и числом ступеней. Поэтому ТД применяются, как правило, в установках средних и низких давлений.