Дросселирование газов
Холодильные циклы без отдачи внешней работы
(с дросселированием газа)
Рассмотрим холодильный цикл с дросселированием газа (рис. 1). Газ с давлением P1 и абсолютной температурой Т1 изотермически сжимается в компрессоре Iдо давления P2 (линия 1 - 2), после чего, пройдя дроссельный вентиль II, газ расширяется до первоначального давления P1 , а его температура снижается до Т3 (линия 2 – 3 при i2=const). Охлажденный газ нагревается в подогревателе IIIдо первоначальной температуры Т1 (линия 3 – 1 при р1 =const), отнимая от охлаждаемой среды количество тепла, равное холодопроизводительности 1 кг газа:
q0=qдрос. =i1-i2
(Рис. 1)
Таким образом, холодопроизводительность при дросселировании равна разности энтальпии газа (i1-i2) до и после изотермического сжатия в компрессоре.
Количество тепла, отводимого при изотермическом сжатии газа, равно: -q=T1∆S
где ∆S – изменение энтропии (длина отрезка 1 - 2).
Работа, затраченная в компрессоре на сжатие газа (при температуре Т1), согласно уравнению l+q=i2 – i1 составляет
lкомпр. =-q+( i1-i2)= T1∆S-qдрос.
или с учетом к. п. д. компрессора ŋк
lкомп.= T1∆S-qдрос
ŋк
Температура после дросселирования может быть снижена путем рекуперации холода. Для этого сжатый газ до поступления в дроссельный вентиль пропускают через теплообменник, где охлаждают расширенным газом перед его подачей в компрессор из подогревателя. Холодопроизводительность и затрата работы на сжатие газа при рекуперации холода не изменяются.
Используя дросселирование воздуха в сочетании с рекуперацией холода, К. Линде разработал рассматриваемые ниже циклы получения жидкого воздуха.
Цикл с простым дросселированием.
Сжатый в компрессоре Iи охлажденный до комнатной температуры воздух поступает в теплообменник IIв точке 2. Пройдя теплообменник, воздух дросселируется до атмосферного давления и вновь направляется в теплообменник, двигаясь противотоком по отношению к поступающему сжатому воздуху. Дросселированный воздух охлаждает сжатый воздух, вследствие чего температура последнего перед дросселированием все более снижается, пока не наступает частичное снижение воздуха в точке 4. После этого жидкий воздух выводится из системы и в теплообменник возвращается лишь несжиженная часть воздуха.
На диаграмме T – S линия 1- 2 выражает изотермическое сжатие воздуха в компрессоре, линия 2 – 3 – охлаждение сжатого воздуха в теплообменнике (при постоянном давлении P2), линия 3 – 4 – дросселирование при (i=const). Точка 4 изображает состояние воздуха после
дросселирования. Она лежит в области влажного пара, причем доля сжиженного воздуха х равна отношению отрезка 4 – 5 к отрезку 0 – 5, а точки 0 и 5 изображают состояние жидкого и несжиженного воздуха. Линия 5 – 1 изображает нагревание несжиженной части воздуха (при постоянном давлении P1).
(Рис. 2)
Из уравнения q0=x(i1-i0)+qnи q0=qдрос.=i1-i2 холодопроизводительность цикла составляет:
q0=x(i1-i0)+qп.= i1-i2
Разность i1-i2 возрастает с повышением давления сжатия P2 , поэтому длинный цикл требует применения значительного давления (около 200 ат) и связан с большим расходом энергии.
Цикл с двукратным дросселированием
Расход энергии на сжатие воздуха можно уменьшить, если дросселирование сжатого воздуха производить до некоторого промежуточного давления (20 – 50 ат), направляя несжиженную часть в компрессор II , где она снова сжимается до высокого давления (200 ат). Полученный в сборнике промежуточного давления Vжидкий воздух для удаления его из системы дросселируется до атмосферного давления и поступает в сборник давления VII; при испаряется часть жидкого воздуха. Испаренный воздух т несжиженная часть воздуха после первого дросселирования проходят через теплообменник III , где нагреваются и охлаждают воздух, сжатый до высокого давления.
Взамен жидкого и испаренного воздуха, удаляемых из системы, вводится такое же количество свежего воздуха, который сжимается во вспомогательном компрессоре Iдо промежуточного давления.
На диаграмме T – Sлиния 2 – 3 изображает сжатие в компрессоре от промежуточного до высокого давления, линия 3 – 4 – охлаждение в теплообменнике, линия 4 – 5 – первое дросселирование, линия 7 – 2 – нагревание в теплообменнике несжиженной части воздуха, линия 6 – 8 – второе дросселирование и линия 9- 1 – нагревание в теплообменнике воздуха, испаренного при втором дросселировании.
Пусть на 1 кг поступающего в теплообменник воздуха высокого давления подается М кг свежего воздуха (обычно М=0,2 – 0,5); тогда через первый дроссельный вентиль проходит 1 кг, а через второй М кг воздуха. В соответствии с этим холодопроизводительность цикла составляет: