Анализ термодинамических потерь классического детандерного цикла среднего давления для ожижения воздуха (цикла Клода)

Предлагаемый цикл можно отнести к циклам среднего давления, так как перерабатываемый в нем воздух сжимается компрессором до давления 40-60 бар. Поэтому в качестве аналога для сравнения и сопоставления термодинамических потерь выбран цикл Клода.

Для глубокого анализа термодинамических потерь в цикле Клода рассмотрим работу цикла не на воздухе, а на азоте, так как при этом не требуется учитывать изменение состава смеси газов, которой является воздух.

Температуру азота, выходящего из компрессора примем равной 300К, а давление – 4 МПа. Зададимся недорекуперацией на теплом конце теплообменника равной 10К. К.п.д детандера примем равным 0, 75, а температуру азота на входе в детандер – 220К. При этих параметрах в классическом цикле Клода получаем коэффициент ожижения равный 15, 1% при доле детандерного потока 64%.

Из диаграммы видно, что предельная степень термодинамического совершенства теплообменников цикла Клода ограничивается сближением температур прямого и обратного потоков вблизи критической температуры. Это объясняется тем, что вблизи критической точки теплоемкость прямого потока резко возрастает.

Следует сразу же отметить, что реальные воздухоразделительные установки работают не по классическому циклу Клода. Основное отличие криогенного цикла воздухоразделительных установок заключается в том, что у них воздух из детандера выходит с параметрами близкими к параметрам насыщения. Это делается для того, чтобы детандерный поток воздуха можно было направить в ректификационную колонну для извлечения из него целевого продукта.

В классическом же цикле Клода, описанном в учебниках по криогенной технике, температура газа, выходящего из детандера, существенно выше температуры насыщения.

При понижении температуры газа, работа его расширения в детандере уменьшается. Поэтому, понижение температуры воздуха на входе в детандер приводит к уменьшению холодопроизводительности детандера, и, соответственно, к снижению коэффициента ожижения цикла реальной ВРУ по сравнению с классическим циклом Клода.

На рисунке 2 приведена q-1/T диаграммы для криогенного цикла среднего давления, в котором поток воздуха на выходе из детандера имеет температуру насыщения.

Для того чтобы получить на выходе из детандера азот при параметрах насыщения, в цикле понижена температура отвода газа в детандер до 174, 9 К. В результате этого, при прочих равных условиях, коэффициент ожижения в цикле понизился до 14, 7% при доле детандерного потока 83%.

Еще одним существенным признаком, отличающим теоретический цикл Клода от криогенных циклов ВРУ, является то, что в цикле ВРУ среднего давления воздух расширяется не до давления обратного потока, а до давления в нижней колонне аппарата двукратной ректификации, т. е. до давления порядка 0, 6 МПа. Поэтому работа детандера при том же адиабатном к.п.д. получается существенно меньше. При значении адиабатного к.п.д. детандера равном 0, 75 и давлении азота с параметрами насыщения при 0, 6 МПа на выходе из детандера, температура азота на входе в детандер получается равной 156, 5 К.

В воздухоразделительных установках часть энергии, недополученная в детандере при расширении воздуха до давления 0, 6 МПа, не теряется, а используется для разделения воздуха. Поэтому азот и кислород, которые отбираются из ректификационной колонны, поступают в канал обратного потока основного теплообменника при давлении близком к атмосферному.

Если в качестве объекта для сравнения принять цикл в котором азот на расширение в детандер отбирается при давлении 4 МПа и температуре 156, 5 К, а выходит с параметрами насыщения при давлении 0, 1 МПа, то, при прочих равных условиях, получим значение коэффициента ожижения 9, 9% при доле детандерного потока 87, 9%. Полученное значение коэффициента ожижения близко к доле жидких продуктов разделения воздуха, которую можно получить на установках среднего давления.

Как видно из q-1/T диаграммы, приведенной на рисунке 2, для теплообменников этого цикла, область наибольших термодинамических потерь сместилась в сторону более высоких температур. Кроме этого вид q-1/T диаграммы теплообменников цикла указывает на то, что при температуре выше 150 К от прямого потока может быть отобрано некоторое количество тепла без нарушения условий осуществимости теплообмена между прямым и обратным потоками. Отбор тепла от прямого потока и передачу его на более низкий температурный уровень целесообразно произвести при помощи тепловой машины использующей азот в качестве рабочего

Таблица 1. Параметры расчетных точек цикла

Как известно из термодинамики, тепловая машина отбирает от горячего источника больше тепла, чем отдает холодному источнику, так как часть тепла, отведенная от горячего источника, превращается в работу. Работа тепловой машины, отведенная из цикла, и обеспечивает дополнительную холодопроизводительность предлагаемого криогенного цикла.