Комбинированные циклы с дросселем и детандерами.

После создания детандеров (низкотемпературных двигателей) их начали использовать в качестве основного расширительного устройства. Устанавливали на всём потоке высокого давления.

Рисунок 152. Детандерный ожижительный цикл.

Основной целью использования детандеров было увеличить количество получаемой жидкости, однако замена дросселя на детандер не позволила получить жидкости. Одна из причин – испарение жидкости в полости цилиндра детандера вследствие теплопритоков. Вторая причина – неэффективная работа детандера при окончании разделения парожидкостной области.

Поэтому детандеры стали использовать не в качестве окончательного устройства для расширения, а на части сжатого потока на темп. уровне , превышающем значение , при котором получается парожидкостная смесь.

Детандеры устанавливают на трех температурных уровнях:

1) Начало расширения в детандере происходит на температурном уровне изотермического сжатия в компрессоре( цикл Гейланда)

2) На промежуточном температурном уровне

3) На самом низком температурном уровне( цикл Клода) при условии, что после детандера не образуется парожидкостной смеси.

Обычно первые два цикла используются для ожижения газов. Последний- в газоразделительных установках.

Цикл Гейланда:

Рисунок 153. Цикл Гейланда.

1) С точки зрения использования детандеров цикл Гейланда является наиболее предпочтительным , поскольку начало расширения в детандеров происходит на самый высокий температурный уровень-температура изотермического сжатия.

2) Теоретически температура Т10 после расширения в детандере и Тy обратного потока на выходе из нижнего теплообменника должны быть одинаковы. В реальности происходит некоторая разница температур , что приводит к дополнительной потере смешения.

3) Основным холоднопроизводственным процессом в цикле является расширение в детандере с отводом внешней теплоты, поскольку даже для газов с температурой инверсии выше температуры окружающей среды тепловой эффект расширения на порядок меньше чем работа в детандере. Давление сжатия в цикле Гейланда обуславливается верхним давлением инверсии используемого газа при температуре изотермического сжатия в КМ.

Например, для воздуха эта величина составляет 42 МПа.

Обычно максимальное давление не превосходит 20 МПа. Из уравнения теплового баланса можно определить коэффициент ожижения цикла:

Оптимизация данного цикла происходит не только по величине p_н , но и по относительному количеству потока D , идущего на детандер с формальной точки зрения. Чем больше величина D , тем, по формуле, больше коэффициент ожижения. Поэтому проводят более глубокий анализ с целью получения оптимального значения D.

Цикл Клода:

Детандер стоит на промежуточном или низком температурном уровне.

Используют 3 теплообменника.

Рисунок 154. Цикл Клода.

Установка нижнего теплообменника позволяет минимизировать потери смешения.

Формально коэффициент ожижения будет определяться по той же формуле, что и в предыдущем случае, но работа детандера будет меньше, поскольку температура начала процесса расширения понижается.

Фактически работа установки по циклу с детандерами во многом определяется работой теплообменников.

Поскольку в нижнем теплообменнике обратный поток по количеству в два раза меньше чем прямой поток, то охлаждение прямого потока будет достаточно слабым, И в ряде случаев температура перед дроссерами будет достаточно высокой и после дросселеров. Будет мало жидкости. Поэтому необходимо понизить температуру прямого потока на выходе в нижний теплообменник. Это можно сделать с помощью понижения температурного уровня детандера, соответственно понизить температуру на входе в детандер.

Числовой пример:

N₂; p_вс=0,1 МПа; p_н=5 МПа; D=0,6; T₂=270 К; η_дет=0,85

l_дет=180 кДж/кг газа в детандере

Δh_T1=10 кДж/кг

x=0,273; Ne⁰=877 кДж/кг жидк.

Δh_T1<< l_дет

Зависимость Ne⁰ от доли детандерного потока.

Чем выше давление, тем цикл становится более эффективным( увеличивается работа детандера).

Рисунок 155. Зависимость Ne⁰ от доли детандерного потока.

Для каждого p_н КМ существует оптимальное количество детандерного потока при котором получается минимальная работа, требуемая для ожижения газа.

Чем выше давление, тем меньше оптимальное значение детандерного потока D.

Необходимо оптимизировать значение температур на входе в детандер.

Цикл Капицы

В цикле Гейланда и Клода используется высокое давление сжатия, то есть приходится применять тяжелые и малоуравновешенные КМ.

В случае если необходимо ожижать воздух в больших количествах для воздухоразделяющих установок , то использование детандерных циклов с высоким давлением крайне трудоемко.

Поэтому Капица предложил модифицированный цикл Клодас детандеров стоящим на самом низком температурном уровне, отличия :

1) Использовалось низкое давление 6-7 атм. И использовались теплокомпрессоры. Это привело к большому расходу энергии и маленькому коэффициенту ожижения х=0,05 и большому количеству потока, проходящего через детандер D=0,94.

2) Вместо поршневых детандеров использовались турбодетандеры с прямыми лопатками изоэнтропный кпд такого детандера составлял 0,82.

3) Замена рекуперативных теплообменников , сделанных из медной трубки, ( больших и тяжелых) на систему переключающихся регенераторов На регенераторы, первоначально заполняющиеся базальтовыми камнями, а затем мет. Насадкой( стружкой, обрезками проволоки) , а затем правильной( упорядоченной насадкой – алюминиевым гофролистом с отверстиями ) это позволило увеличить поверхность теплообмена до 1000 м2 на кубометр объема.

Достоинства установки Капицы

1) Сравнительно малые размеры, вследствие использования регенераторов.

2) Уравнение используемых турбомашин по сравнению с поршневыми.

3) Следствие попадания масла в воздушный тракт , поскольку масло использовалось только для смазывания турбомашин.

4) Замена сложной системы очистки сжатого воздуха, используя регенератор , внутри которого при охлаждении сжатого воздуха десублимируется H2O, Co2 и СnHm.

Недостатки:

1) Повышенный расход электричества. 1,5-1,6 (кВт * ч)/кг( жидкого воздуха)

Рисунок 156. Схема и TS- диаграмма цикла Капицы.

Газ после турбокомпрессора охлаждается в концевом теплообменнике и затем воздух охлаждается в « холодном» регенераторе куда направляется системой клапанов. Охлажденный воздух т.2 раздваивается- большая часть идет через детандер, а меньшая - через рекуперативный то есть где охлаждается т.3 и дросселируется с большим количеством получившейся жидкости.

Жидкость выводится из установки в ВРУ , а образовавшийся пар смешивается с потоком из детандера т.5, нагревается в рекуперативном теплообменнике и через систему переключающихся клапанов подается в «теплый» регенератор , охлаждая его и после этого поступая на всасывание в турбокомпрессор.

Температура воздуха высокого давления на выходе из регенератора должна быть такой, что после расширения в детандере в точке 5 получился бы практически насыщенный пар, то есть потери смешения в точке 5 не происходит и прямой поток из рекуперативного прямого теплообменника в точке 3 не только охлаждается но и конденсируется с последующим переохлаждением жидкости.

Поэтому на вход дроссель подается только жидкий воздух и после дросселирования получается более 90% насыщенной жидкости.

Использование цикла Капицы позволило создать установки для получения газообразного О2 производительность 35000 нм3/час

Свойства твердых тел при низких температурах.

1) Прочностные характеристики ( предел прочности , текучести и предел усталости)

С понижением температуры вследствие сокращения скорости движения молекул, прочностные свойства улучшаются.

	, МПа	, МПа	, МПа
Материал	300К	150К	4,2К	900К	150К	4,2К	300К	150К	4,2К
Al
Нержавеющая Сталь
Углеродная сталь

При испытании на усталостную прочность, осуществляю порядок 1 млн. Циклов переменного во времени нагружения образца.

2) Ударная вязкость , удлинение и модуль упругости( Юнга)

Удлинение – максимальная деформация образца до разрушения, в процентах от первоначальной длины.

	К, Н*м		, ГПа
Материал	300К	150к	4,2К	900К	150К	4,2К	300К	150К	4,2К
Al
Нержавеющая Сталь
Углеродная сталь

Углеродистая сталь резко с понижением температуры сокращает ударную вязкость. Это прежде всего связано с гранецентрированной кубической решеткой.

Нержавеющая сталь (12×18H10T) увеличивает свою ударную вязкость с понижением температуры, поэтому она является одним из основных материалов низкотемпературной техники.

Обычно граница между хрупкими и пластичными материалами составляет 5% удлинения при разрушении.

Т е достаточно пластичная углеродная сталь (20˚С) становится хрупкой и поэтому не используется в технике низких температур.