Ожижитель Капицы

Более экономичным является ожижитель воздуха, в котором используется дополнительное охлаждение в СПО при помощи детандеров.

В 1939 г. академик П. Л. Капица разработал квазицикл, в котором за счет расширения воздуха в детандере удалось перейти на низкое давление. Если в квазицикле Линде сжатие осуществляется до 10 … 20 МПа, то в квазицикле Капицы – до 0.5 … 0,7 МПа.

Первым преимуществом низкого давления является использование турбомашин для сжатия и расширения воздуха. Однако это стало возможным только после того, как П. Л. Капица разработал специальный турбодетандер, позволяющий получить и в области, близкой к состоянию насыщения, адиабатный КПД, равный 0,80 … 0,86.

Вторым преимуществом низкого давления является возможность применения вместо теплообменников-рекуператоров более выгодные теплообменники–регенераторы, в которых одновременно с теплообменом происходят и процессы массообмена, т. е. осушка и очистка воздуха от диоксида углерода, паров масел. Кроме того, применение регенераторов позволяет сделать установку более компактной и снизить эксплуатационные расходы.

Схема ожижителя Капицы и изображение квазицикла в Т, s -диаграмме приведены на рис. 7.3 и рис. 57.4 соответственно.

Воздух сжимается в турбокомпрессоре I от давления рп до давления pm и охлаждается до температуры окружающей среды Т ос в охладителе II (процесс 1 – 2). Затем воздух направляется в регенеративный теплообменник III, где охлаждается обратным потоком воздуха (процесс 2 – 8). После этого сжатый воздух разделяется на две части. Первая в количестве М = 0,90 … 0,95 поступает в турбодетандер VII. Вторая часть (1 – М) газа проходит через теплообменник-охладитель VI, где она конденсируется (процесс 8 – 3) и после дросселирования (процесс 3 – 4) в дросселе IV направляется в отделитель жидкого воздуха V. Полученная жидкость в количестве у отводится из отделителя, а оставшийся воздух вместе с воздухом, поступившим после расширения (процесс 8 – 6) из детандера, направляется в теплообменники VI и III, где нагревается до температуры Т7 (процесс 6 – 7) и выводится в атмосферу.

 

 

 

Рис. 7.3 Рис. 7.4

 

Количество получаемого жидкого воздуха на единицу воздуха, поступающего в CПТ, можно получить из уравнения энергетического баланса аналогично квазициклу Линде:

 

у = (Δ hТ – Δ h п – q из + М Δ h д) / (q ож – Δ h п), (7.4)

 

где М Δ h д - холодопроизводительность детандера.

Удельный расход электроэнергии на 1 кг ожиженного воздуха определяется затратами работы в компрессоре с учетом работы, возвращаемой детандером:

 

N э = [ l из/() – М Δ h д ] / у, (7.5)

 

где l из - изотермическая работа компрессора; - электромеханические КПД компрессора и детандера; - относительный изотермический КПД компрессора.

Из формулы (7.5) видно, что для увеличения у и уменьшения N э долю М направляемого в детандер воздуха следует принимать возможно большей. Однако максимальное значение М ограничено минимальной разностью температур Δ Тm-n = 3 … 5 К в регенеративном теплообменнике. В противном случае возрастают потери теплоты от недорекуперации в регенеративном теплообменнике, что приводит к снижению у.

 

 

Вопросы для самопроверки

1. Назовите и опишите ступени структуры ожижителей газов.

2. Опишите принцип действия ожижителя Линде.

3. Изобразите процессы, происходящие в ожижители Линде, на Т,s – диаграмме.

4. Составьте энергетический баланс системы Линде.

5. Перечислите преимущества ожижителя, работающего при низком давлении рабочего тела с использованием турбодетандеров.

6. Изобразите и объясните работу схемы ожижителя Капицы.

7. Приведите расчет количества получаемого жидкого воздуха в системе, работающей по квазициклу Капицы.