Детандерный цикл высокого давления

При повышении Р2 (до 200 бар для воздуха) оказывается , что температура перед детандером возрастает до температуры окружающей среды. В этом случае отпадает необходимость в предварительном теплообменнике, так что газ после сжатия в компрессоре до давления P₂ сразу же распределяется на две части – доля D (~0,6 ) расширяется в детандере (процесс 3-4'), а доля (1–D) направляется в детандерный теплообменник, где охлаждается обратным потоком газа низкого давления P₁ . Такой цикл был предложен Гейландтом. Схема установки, реализующей цикл высокого давления, представлена на рисунке 3.6).

Детандер в цикле Гейландта ( детандерном цикле высокого давления ) работает на более высоком температурном уровне, чем в цикле Клода, и поэтому отпадают многие затруднения, связанные с его работой при низких температурах. В частности, имеется возможность использования обычного смазочного масла и снижаются трудности с теплоизоляцией детандера.

Последовательность энергетических расчетов такая же, как в цикле Клода, а схема и изображение цикла в T- S диаграмме отличается лишь отсутствием предварительного теплообменника (рис. 3.6). Схема включает лишь детандерный теплообменник А2 и сбоник сжиженного газа А3.

Рис. 3.6. Схема установки и детандерный цикл высокого давления

Следует обратить внимание на то, что в цикле Гейландта (детандерный цикл высокого давления) недорекуперацию следует выбирать более высокой ( 12 – 14 градусов) по сравнению с другими циклами, что является целесообразным по двум причинам - условиям теплообмена и возможности пропускать через детандер несколько большее количество газа высокого давления, в результате, чего несколько возрастает холодопроизводительность и коэффициент ожижения.

ДЕТАНДЕРНЫЙ ЦИКЛ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

При понижении Р2 (до 6 – 7 бар для воздуха), оказывается, что температура газа перед детандером Т3 существенно снижается и значительно возрастает доля газа, направляемого в детандер. Установка, реализующая такой вариант цикла Клода, была предложена академиком Капицей П.Л. для ожижения воздуха в схеме воздухоразделительной установки для получения технического кислорода. Такой вариант цикла Клода называется циклом Капицы или детандерным циклом низкого давления. Схема установки, реализующей цикл Капицы, и изображение цикла в диаграмме приведены на рис. 3.7 , где А1- теплообменник-конденсатор и P – регенератор. В диаграмме температура – энтропия процесс 2 – 3 – охлаждение в регенераторе, 3 – 5 и 5 – 6 – соответственно охлаждение и конденсация в теплообменнике-конденсаторе А1.

Рис. 3.7. Схема установки и детандерный цикл низкого давления

Температура газа перед детандером Т3 выбирается такой, чтобы после расширения (процесс 3 – 4 ) получить пар несколько перегретый (на 3 – 4 град.) по сравнению с температурой в точке 8, чтобы исключить выпадение жидкости в турбодетандере ТД. Коэффициент ожижения составляет z = 0,05 – 0,06 при Р2 = 6 – 7 бар.

Газовые криогенные циклы

Обобщенный цикл Карно

Рассмотрим ряд циклов, рабочим телом которых является идеальный газ. Кроме цикла Карно в качестве примера рассмотрим циклы, состоящие из двух изотерм и двух изобар – цикл Эриксона - или двух изотерм и двух изохор – цикл Стирлинга. На рисунке 3.8 изображены : 12341 – цикл Карно; 1'234'1' – цикл Стирлинга ; 1''234''1''– цикл Эриксона.

Рис. 3.8. Циклы Карно, Стирлинга и Эриксона

Рис. 3.8. Циклы Карно, Стирлинга и Эриксона

Для рассматриваемых циклов (Карно, Стирлинга и Эриксона) можно записать

(3.18)

Обобщенным циклом Карно будем называть цикл, состоящий из двух изотерм и двух политроп.

Рассматривая реальное вещество в качестве рабочего тела газового криогенного цикла, следует ответить на вопрос: какие из линий (например, изобары или изохоры) наиболее эквидистантны (эквидистантность рассматриваемых линий напрямую связана с полнотой регенеративного теплообмена). Так как наклон этих линий в диаграмме T-S определяется теплоёмкостью, то предстоит ответить на вопрос - какая из теплоёмкостей изобарная Ср или изохорная Сv менее существенно меняется с изменением параметров состояния. Опыт показывает, что С_v является весьма слабой функцией параметров состояния, в то время как Сp существенно изменяется с изменением параметров состояния и достигает бесконечно больших значений в двухфазной области и в критической точке. Таким образом, оказывается, что для реального вещества холодильный коэффициент цикла Стирлинга будет выше, чем холодильный коэффициент цикла Эриксона. Из реальных веществ наилучшим рабочим телом для газовых циклов является гелий, вследствие весьма низкой критической температуры ( Ткр = 5,2 К ) и близости его свойств в интересующем диапазоне температур и давлений к свойствам идеального газа.

Рис. 3.9. Цикл Стирлинга в диаграмме P - V

Принцип работы цикла Стирлинга представлен в Р-V диаграмме ( рис. 3.9), где 1 – 2 - изотермическое сжатие с отводом тепла qотв.; 2 – 3, 4 – 1 - процессы изохорного регенеративного теплообмена; 3 – 4 - изотермическое расширение с подводом тепла q0 при температуре Т0..

Принципиальный способ реализации обратного цикла Стирлинга в поршневой машине состоит в следующем. Два поршня движутся в цилиндре прерывисто с углом сдвига по фазе. В рабочем пространстве между поршнями размещён регенератор, который делит рабочую полость на две части – тёплую и холодную. Иногда их условно называют полостями сжатия и расширения. В тёплой полости поддерживается постоянная температура равная температуре окружающей среды Т _{окр. ср.} за счёт отвода теплоты qотв. в холодильнике. В холодной полости температура Т0. постоянна (за счёт подвода теплоты q0 через охладитель). В действительности цикл чаще всего реализуют в машине с гармоничным движением поршней, причём существует несколько конструктивных схем подобной машины.

Рис. 3.10. Принципиальная схема реализации цикла Стирлинга

Принципиальная схема реализации цикла Стирлинга представлена на рис. 3.10.