ВВЕДЕНИЕ. Одесская государственная академия холода

УДК 621.59

М.Б.Кравченко

Одесская государственная академия холода. ОГАХ, 65026, Одесса,

тел.(0482)20-91-89, Е-mail: Kravtchenko@i.ua.

ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

С ИЗБЫТОЧНЫМ ОБРАТНЫМ ПОТОКОМ

Предложен новый цикл среднего давления для ожижения воздуха, который позволяет снизить термодинамические потери в теплообменных аппаратах. На конкретных примерах с применением q-1/Tдиаграмм проведен анализ и сопоставление термодинамических потерь в классическом цикле Клода, холодильном цикле ВРУ среднего давления и в предложенном цикле. Рассмотрена возможность использования цикла в ВРУ для получения жидких продуктов разделения воздуха.

Ключевые слова: криогенная техника, термодинамические потери, разделение воздуха.

The new cycle of average pressure for liquefaction of air allowing lowering of thermodynamic losses in heat exchange devices is offered. On concrete examples with application of the q-1/T diagrams analysis and comparison of thermodynamic losses in a classical Clothe cycle, in air separation units cycle and offered cycle is carried out. The opportunity to use offered cycle in air separation units for reception liquid components of air is considered.

Key words: cryogenic engineering, thermodynamic losses, air separation.

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что коэффициент ожижения простого дроссельного цикла, работающего на гелии, отрицательный. Поэтому, долгое время считалось, что простой дроссельный цикл на гелии работать не может. Но прошло время, и для криостатирования крупных сверхпроводящих магнитов на гелиевом уровне температур, были созданы установки, работающие по дроссельному циклу с избыточным обратным потоком. В таких установках жидкий гелий не отводится, а, наоборот, подводится к гелиевому рефрижератору. Таким образом, гелиевые рефрижераторы с отрицательным коэффициентом ожижения нашли практическое применение.

В результате всестороннего анализа работы гелиевых систем выяснилось, что даже незначительное увеличение расхода обратного потока по отношению к прямому потоку резко повышает эффективность гелиевых рефрижераторных циклов, вследствие существенного снижения потерь от необратимости процессов теплообмена [1, 2].

Такой способ повышения термодинамической эффективности криостатирования может быть реализован только в крупных гелиевых системах, в которых сочетаются ожижительные и рефрижераторные нагрузки. В этом случае увеличение расхода обратного потока рефрижераторной системы может быть достигнуто, например, за счёт подлива жидкого гелия из системы, работающей в режиме ожижения.

В настоящее время схема криостатирования крупных сверхпроводящих магнитов на гелиевом уровне температур, с использованием криорефрижераторов с избыточным обратным потоком, получила широкое распространение. Одним из последних примеров использования такой системы являются вновь вводимые ускорительные кольца комплекса NICA [3], которые будут охлаждаться двумя рефрижераторами с избыточным обратным потоком, так называемыми сателлитами. Они находятся в непосредственной близости от криостатируемых сверхпроводящих магнитов и работают за счет жидкого гелия, получаемого от центральной криогенной станции. С центральным ожижителем гелия и компрессорным цехом сателлиты соединяются тремя трубопроводами: сжатого гелия, обратного гелия и жидкого гелия. Причем, только трубопровод жидкого гелия имеет вакуумную суперизоляцию и теплозащитный экран. Такая схема позволяет в каждом из находящихся на значительном удалении сателлитных рефрижераторов обойтись минимумом оборудования. Эти рефрижераторы, состоящие по существу только из теплообменников и сборника жидкого гелия, обладают высокой надежностью и не требуют обслуживания.

Воздухоразделительные установки (ВРУ), так же, как и гелиевые криогенные системы, могут работать в двух режимах: в режиме ожижения с выдачей жидких продуктов разделения воздуха, и в режиме с выдачей газообразных продуктов разделения воздуха. Так же как и в гелиевых криогенных системах, работающих в режиме ожижения, в воздухоразделительных установках, производящих жидкие продукты разделения воздуха, обратный поток оказывается меньше прямого. В режиме работы ВРУ с выдачей газообразных продуктов разделения воздуха, прямой поток воздуха равен сумме обратный потоков. Поэтому режим выдачи газообразных продуктов разделения воздуха полностью аналогичен рефрижераторному режиму работы гелиевых систем.

Не смотря на явную аналогию в работе воздухоразделительных и гелиевых установок, а также сочетание режимов выдачи жидких и газообразных продуктов разделения воздуха при работе ВРУ, возможности повышения их энергетической эффективности за счет работы с избыточным обратным потоком пока не рассматривались.

В данной работе предпринята попытка оценки возможностей повышения энергетической эффективности ВРУ среднего давления путем использования режима работы с избыточным обратным потоком.