Новый детандерный цикл среднего давлениядля сжижения воздуха

В данной работе предложен новый детандерный цикл среднего давления для ожижения воздуха. Принципиальная схема установки для реализации предлагаемого цикла показана на рисунке 3.

Установка работает следующим образом. Газ сжимается компрессором до давления 4 МПа и при температуре близкой к температуре окружающей среды поступает в первый теплообменник, где происходит его охлаждение двумя обратными потоками высокого и низкого давлений. Далее прямой поток смешивается с расширившимся в детандере обратным потоком высокого давления и продолжает охлаждение двумя обратными потоками во втором теплообменнике. При температуре 156, 5 К часть прямого потока отбирается на расширение в основной детандер. Оставшаяся часть прямого потока охлаждается в третьем и четвертом теплообменниках до температуры порядка 80 К. Перед дросселированием часть газа из прямого потока отбирается и сжимается до давления обратного потока высокого давления – порядка 12 МПа. Эта часть газа поступает в каналы теплообменников ТО₃-ТО₁ для обратного потока высокого давления. Оставшаяся часть прямого потока дросселируется до давления близкого к атмосферному.

Образовавшаяся в результате дросселирования парожидкостная смесь разделяется на жидкую и паровую фазы. Жидкая фаза выводится из установки, а паровая фаза поступает в каналы для обратного потока низкого давления теплообменников ТО₄- ТО₁, где нагревается, отбирая тепло от прямого потока газа.

С точки зрения первого начала термодинамики увеличение холодопроизводительности установки объясняется дополнительной работой, полученной в прямом силовом цикле и отведенной из установки.

Отбор тепла от прямого потока приводит к понижению его температуры, что уменьшает разность температур между прямым потоком и двумя обратными потоками газа и, следовательно, уменьшает термодинамические потери от несовершенства теплообмена. Поэтому, с точки зрения второго начала термодинамики повышение холодопроизводительности цикла достигается за счет уменьшения термодинамических потерь от несовершенства теплообмена.

По сравнению с обычным детандерным циклом, в котором мы можем варьировать только долей детандерного потока, предлагаемый цикл позволяет варьировать тремя параметрами: долями газа проходящими через детандеры и давлением обратного потока высокого давления. Это открывает дополнительные возможности для настройки цикла с целью повышения его эффективности.

Повышение давления в обратном потоке высокого давления при прочих равных условиях приводит к росту работы детандера высокого давления и повышению холодопроизводительности цикла. К сожалению, мы не можем неограниченно повышать давление второго обратного потока при неизменной доле этого потока. Ограничения, связанные с возможностью организации теплообмена в трехпоточных теплообменниках приводят к тому, что по мере возрастания давления второго обратного потока приходится уменьшать долю этого потока. В результате взаимодействия этих факторов, действие одного из которых приводит к росту холодопроизводительности установки, а действие другого снижает эту холодопроизводительность, мы получаем некоторое оптимальное сочетание параметров, при котором достигается максимум холодопроизводительности установки и, соответственно, максимальная величина коэффициента ожижения.

Для установок работающих на азоте, при давлении прямого потока 40 бар и к.п.д. детандера 75%, оптимальные значения давления второго обратного потока и его доли составляют, соответственно, 12 МПа и 28, 5% при доле газа проходящей через основной детандер равной 84, 7%. При этом коэффициент ожижения азота в цикле достигает величины 13, 1%. Это примерно на 32% больше чем в цикле ВРУ среднего давления, рассмотренном выше.

На рисунке 4 показана q-1/T диаграмма для теплообменников предлагаемого цикла.

Так как все теплообменники установки, кроме теплообменника ТО₄, трехпоточные, то на приведенной q-1/T диаграмме в качестве линии обратного потока показана линия средневзвешенной температуры двух обратных потоков. Как показано в работе [3] замена двух потоков одним, водяной эквивалент, которого равен сумме водяных эквивалентов этих двух потоков, а температура равна средневзвешенной температуре этих потоков, позволяет проверить работоспособность многопоточного теплообменника в том случае, когда эти два потока не обмениваются теплом между собой.

Так как линия средневзвешенной температуры двух обратных потоков не пересекает линию прямого потока, то теплообмен между этими тремя потоками в принципе возможен. Для того, чтобы реализовать теплообмен между одним прямым и двумя обратными потоками, при заданных температурах потоков на концах теплообменника, требуется обеспечить соответствующую поверхность теплообмена. В качестве одного из вариантов реализации теплообмена между рассматриваемыми тремя потоками можно рассмотреть случай, когда температуры обоих обратных потоков равны их средневзвешенной температуре. Такой вариант распределения температур обратных потоков удобен для анализа схемы, но малопригоден для практической реализации.

Конечно же, предлагаемый цикл имеет и недостатки. Таких недостатков, по крайней мере, два. Первый – это большая тепловая нагрузка теплообменников, что потребует увеличения поверхности теплообмена и размеров теплообменных аппаратов. Второй – то, что предлагаемый цикл содержит дополнительный детандер и машину для сжатия газа. В качестве такой машины можно использовать серийно выпускаемые насосы сжиженных газов, которые по диапазону рабочих температур и рабочих давлений идеально подходят для поставленной задачи. Так как работа детандера больше работы насоса, то возможно использование турбомашины с двумя рабочими колесами на одном валу.

Перспективы применения предлагаемого детандерного цикла в ВРУ обусловлены тем, что воздухоразделительные установки среднего давления для получения газообразного кислорода под давлением уже имеют в своем составе насос сжиженного газа и трехпоточный теплообменник с каналом для газа высокого давления. Причем, схема теплообмена в трехпоточном теплообменнике точно такая же, как требуется для работы предлагаемого цикла. Поэтому производство новых установок для работы по предлагаемому циклу или модернизация уже существующих установок не потребует использования новых технологий.

На рисунке 6 приведена схема ВРУ для получения жидкого кислорода на базе предлагаемого цикла.