Классификация криогенных установок по назначению по способу получения холода

1.2. Классификация криогенных установок

Криогенные установки классифицируют по ряду признаков: по назначению, способу получения низких температур, типу расширительного устройства, по величине начального давления воздуха и др.

а) по назначению различают установки:

— холодильные (криорефрижераторы) – для получения низкотемпературного холода. По международной классификации это так называемые R-системы;

— сжижительные – для выработки сжиженного газа (воздуха). Это L-системы;

— газоразделительные – для разделения газовой смеси на составные части. Это D-системы.

б) по способу получения низких температур:

— дроссельные – использующие дроссель-эффект Джоуля-Томсона;

— детандерные – расширением, с отводом работы расширения;

— использующие вихревой эффект Ранка-Хильша и др.

в) по давлению воздуха различают установки:

— низкого давления (давление сжатия Р_сж0,5-0,6 МПа);

— высокого давления (Р_сж15-20 МПа).

В настоящее время выпускают воздухоразделительные установки более 30 наименований. Принципы индексации конкретных установок отражают их основное назначение и уровень производительности. Индексы установок составлены из первых букв названий продуктов:

К – кислород технический; Кт – кислород технологический; А – азот;

Аж – азот жидкий; Кж – кислород жидкий; Арж – аргон жидкий.

Цифра в индексе установки обозначает уровень производительности по основному продукту в тысячах кубических метрах для газообразных продуктов или в тысячах килограммов для жидких продуктов, например: 35 – 35000 м 3 /ч; 6 – 6000 кг/ч. Для примера также, обозначение ВРУ НПО «Криогенмаш» – КААр-15 означает: установка производит газообразные технический кислород, азот, аргон. Производительность по кислороду – 15000 м 3 /ч.

В данном курсе рассматриваются установки только для сжижения и разделения воздуха на составляющие элементы, т.е. L,D–системы. Так как это установки, работа которых связана с изменением состояния рабочего тела, то они относятся к классу трансформаторов теплоты газожидкостного типа.

1.3. Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты

Все криогенные трансформаторы теплоты, независимо от назначения можно представить себе в виде единой структурной схемы. Они все содержат ступени одинакового назначения. Рассмотрим структурную схему газожидкостного трансформатора теплоты в виде воздухосжижительной установки (рис. 1.1).

Ступень подготовки рабочего тела (СПТ) располагается выше температурного уровня окружающей среды Т_о.с. Задача СПТ – повысить эксергию рабочего тела (воздуха) для работы установки в целом. Она достигается повышением давления воздуха в компрессоре за счет подвода механической (электрической) энергииЕ_подв, с отводом теплоты охлажденияQ_о.св окружающую среду.

Рис.1.1. Структурная схема газожидкостного трансформатора теплоты:

СПТ – ступень подготовки рабочего тела; СПО – ступень предварительного охлаждения; СОО – ступень окончательного охлаждения; СИО – ступень использования охлаждения

Ступень подготовки рабочего тела (СПТ) располагается выше температурного уровня окружающей среды Т_о.с. Задача СПТ – повысить эксергию рабочего тела (воздуха) для работы установки в целом. Она достигается повышением давления воздуха в компрессоре за счет подвода механической (электрической) энергииЕ_подв, с отводом теплоты охлажденияQ_о.св окружающую среду.

Непосредственно за СПТ размещается ступень предварительного охлаждения (СПО). Здесь охлаждение осуществляется, как правило, за счет регенерации холода. Но может применяться и вспомогательная холодильная машина – как дополнение. Характерная особенность – процессы в СПО протекают при температуре существенно ниже Т_о.с.

Далее идет ступень окончательного охлаждения (СОО). Здесь рабочее тело охлаждается до самой низкой температуры – температуры конденсации (кипения) воздуха Т₀. Здесь используются процессы внутреннего охлаждения – дросселирование воздуха и расширение его в детандере.

Непосредственно к СОО примыкает ступень использования охлаждения (СИО). В этой ступени L-системы отводится жидкий воздух. С этим воздухом отводится и часть эксергии холода –E_q.

Если трансформатор теплоты работает в режиме рефрижератора (R-система), то отвода жидкого воздуха нет. Теплота охлаждаемого объектаQ₀идет на испарение жидкого воздуха. При этом эксергияE_qпередается охлаждаемому объекту.

Как уже указывалось в классификации, установки L(иR)-систем, в зависимости от способов внутреннего охлаждения в СОО, подразделяются на два основных вида:

— дроссельные – с охлаждением воздуха дросселированием (в так называемых ступенях Линде);

— детандерные – с охлаждением воздуха расширением в детандере (в ступенях Сименса).

Ступенью называют расширитель в комплекте с теплообменниками для регенеративного охлаждения воздуха.

Охлаждение воздуха в детандере используется не только в СОО, но и в СПО (схемы Клода, Гейландта, Капицы).

Источник

Классификация холодильных и криогенных установок

Рефрижераторы (как холодильные, так и криорефрижераторы — класс R) предназначены для отвода теплоты на уровне То ниже температуры окружающей среды. По характеру протекающих в них процессов рефрижераторы делятся на два вида — со стационарными потоками и с нестационарными потоками. У первых в каждой точке схемы (при работе в установившемся режиме) все параметры (температура, давление, расход и т. д.) неизменны по времени, у вторых эти параметры переменны по времени и проходят циклические изменения.

Ожижители предназначены для перевода в жидкое состояние газа, подаваемого в них при температуре, близкой к Т0. с. К тому же классу относятся установки для получения замороженных газов. Разделительные установки предназначены для разделения газовых смесей с целью получения одного или нескольких входящих в них компонентов. Существуют и комбинированные установки, например установки, которые могут работать в разных режимах — и как рефрижераторы, и как ожижители, или такие, которые выдают один или несколько продуктов разделения в жидком виде.

По агрегатному состоянию рабочего тела установки делятся на газовые, газожидкостные, парожидкостные и твердотельные. Газовые — установки, в которых рабочее тело во всех процессах остается в газообразном состоянии. Газожидкостные — установки, в теплой части которых рабочее тело находится в виде газа при температурах, далеких от критической, а в холодной части — в виде влажного пара и жидкости. Такие установки обычно работают в большом интервале температур. Парожидкостные — установки, в которых рабочее тело находится либо в виде жидкости и влажного пара, либо в виде перегретого пара при температурах ниже критической или близкой к ней. Применяются в основном в холодильном оборудовании при относительно небольших интервалах температур.

Источник

Установки для получения холода на криогенном уровне

(КУ). Эти установки, наз. также просто криогенными, по назначению бывают рефрижераторные (вырабатывают низкотемпературный холод), ожижительные, газоразделительные и комбинированные. По способу получения холода различают след. циклы КУ: с дросселированием (i = const), расширением в детандере (S = const), дросселированиеми расширением в детандере, криогенных газовых машин, с выхлопом газа из постоянного объема и др.
В циклах КУ особенно важен способ отвода теплоты от охлаждаемого тела, к-рое при охлаждении «приобретает» все т-ры от Т₀ до Т_х. Идеальным для данного случая является процесс 4′-3′ (рис. 2) или процесс 1′-4′ (рис. 5), т. е. непрерывный отвод теплоты на каждом температурном уровне в интервале Т₀ — Т_х. В реальных циклах осуществить такой отвод теплоты невозможно. Нек-рого приближения к этому способу можно достигнуть применением ряда ступеней охлаждения на неск. промежуточных уровнях. Для охлаждения при Т_х= 150 — 250 К обычно достаточно использовать цикл с одной ступенью, для сжижения воздуха, О₂ или N₂ (Т_х = 70 — 90 К) — с двумя ступенями, водорода(Т_х = 20 К) -с двумя-тремя ступенями, гелия (Т_х = 4-5 К) — не менее чем с тремя ступенями. Температурные уровни Т_т(т= 1, 2, 3. ) каждой из п ступеней охлаждения в интервале Т₀ — Т_хможно оценить по ф-ле:

Применение того или иного цикла, а также аппаратурное оформление КУ зависят от большого числа факторов (главный из них — необходимая холодопроизводительность, стоимость единицы холода и надежность работы установок). Поэтому в общем случае расчет и оптимизация криогенных установок представляют собой сложную задачу.
Установки с дроссельными циклами отличаются исключит. простотой и надежностью в работе, вследствие чего широко распространены в произ-ве холода и сжиженных газов. Однако из-за низкой экономичности эти установки пригодны лишь для получения холода в небольших кол-вах.
В установке с однократным, или простым, дросселированием (цикл Линде — Хемпсона; рис. 9) газ изотермически сжимается в компрессоре К (процесс 1-2), изобарно охлаждается в теплообменнике ТО до т-ры Т₃, расширяется (при i = const) в дроссельном вентиле Др от давления сжатия р₂ до давления всасывания p_l (процесс 3-4); при этом газчастично конденсируется. Жидкость в кол-ве X [доля сжиженного газа по отношению к кол-ву дросселируемого; кол-во последнего принимают за единицу, на рис. обозначают (1)] в состоянии f выводится из сборника Сб, а пар в кол-ве (1-Х)возвращается через ТО в компрессор. В точке 1 к нему добавляется газ в кол-ве X, и цикл повторяется. Холодопроизводительность q_x = T_х(S₅ — S₄) = i₁ — i₂ = i₅ — i₄ = X(i₁ — i_f). Доля выводимого сжиженного газа X_f = (i₁ — i₂)/(i₁— i_f); где R — газ. постоянная.

Рис. 9. Схема криогенной установки с однократным дросселированием.

В идеальном дроссельном воздушном цикле очень малы доля получаемой жидкости (

5,5%) и холодильный коэф. (-7%); коэф. 5%. В реальном цикле из-за тепловых потерь в окружающую среду, недорекуперации теплоты в ТО, а также неизотермичности сжатия значения и м. б. существенно ниже (в 2-3 раза и более).
Кроме низкой эффективности, простой дроссельный цикл оказывается принципиально непригодным при i₁ 3 /ч воздуха). Впервые цикл низкого давления осуществил П. Л. Капица, к-рый сконструировал высокоэффективный турбодетандер, способный работать на уровне — 100 К.

Рис. 13. Схема криогенной установки, работающей по циклу высокого давления.

Криогенные газовые машины нашли применение благодаря высокой компактности и эффективности. Наиб. распространены машины, работающие по идеальному холодильному циклу Стирлинга, а также по циклу Гиффорда — Мак-Магона. В холодильном цикле Стирлинга (рис. 15) два поршня движутся в цилиндре прерывисто со сдвигом по фазе. Между поршнями размещен регенератор Р, к-рый делит рабочую полость на теплую и холодную части. Газизотермически сжимается (процесс 1-2), параллельным движением поршней изохорно перемещается через регенератор (процесс 2-3) и охлаждается до т-ры Т_х. Затем за счет движения правого поршня газ расширяется, его т-ра снижается и or охлаждаемого тела к нему подводится теплота (процесс 3-4). Поршни параллельно сдвигаются влево, холодный газ изохорно перемещается через регенератор, охлаждая его, и процесс повторяется.

Одноступенчатые машины используют для получения холода на уровне 150-70 К и до 40 К при небольшой холодопроизводительности; 0,1, = 20 — 42%. Более низких т-р достигают, применяя двухступенчатые машины трехступенчатые машины обеспечивают Т_х = 8,5 К.

Рис. 14. Схема криогенной установки, работающей по циклу низкого давления.

Рис. 15. Схема криогенной газовой машины, работающей по циклу Стирлинга.

В машинах, работающих по циклу Гиффорда — Мак-Магона, холод вырабатывается с помощью залпового выхлопагаза. Одноступенчатые машины используют для получения небольших кол-в холода на уровне до 35 К, а двухступенчатые — до 7 К. Коэф. для этих машин меньше, чем для машин, работающих по циклу Стирлинга.
Из-за сложности аппаратурного оформления холодильные процессы трудно моделируются. Поэтому их исследования и испытания холодильного оборудования выполняют, как правило, не на лабораторных, а на стендовых (полупромышленных) и пром. образцах, реальных хладагентах и в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.

Источник

Классификация криогенных циклов

Последовательная совокупность отдельных процессов представляет собою рабочий цикл установки.

В основе классификации криогенных установок лежат существенные признаки, изменение которых приводит к появлению новых элементов в структуре циклов. Число таких признаков довольно велико, к ним могут быть отнесены следующие:

– способы получения холода (типы термодинамических процессов охлаждения);

– число ступеней охлаждения;

– вид и число рабочих веществ;

– температурный уровень охлаждения;

– типы применяемого оборудования.

Приведенная далее система классификации использует два наиболее существенных признака: назначение установки и способ получения холода. Такая система классификации может быть развита при использовании других признаков.

По назначению все криогенные установки подразделяют на четыре основные группы: рефрижераторные, ожижительные, комбинированные и газоразделительные.

1. Рефрижераторные установки. Эта группа обширна и предназначена для решения таких задач криогеники, как охлаждение и термостатирование. Как правило, эти задачи решают одновременно; объект охлаждают до заданного температурного уровня и поддерживают в этом состоянии компенсацией притока теплоты с помощью того или иного процесса охлаждения.

Каждая область применения имеет свои требования в отношении температуры, холодопроизводительности, массы, габаритов, энергозатрат, времени пуска, надежности и др. Следствием этого является различие типов применяемых циклов.

2. Ожижительные установки используют для решения другой основной задачи криогеники − перевода веществ в жидкое состояние, а иногда и в твердую фазу. Наиболее широко криогенные ожижительные системы применяют для ожижения природного газа (метана), кислорода, азота, водорода, гелия. Каждое вещество имеет свою температуру конденсации, например, от 112 К для метана до 4,2 К для гелия. Кроме того, сильно различаются производительности установок: от нескольких литров сжиженного криоагента в час до десятков тысяч литров в час. Крупные установки должны иметь более экономичные и, следовательно, более сложные циклы.

3. Комбинированные установки. В настоящее время широко применяют установки, позволяющие одновременно (или последовательно) ожижать газ и производить термостатирование в рефрижераторном режиме. Такое совмещение функций делает установки наиболее универсальными, гибкими, способными решать различные задачи. Наиболее распространены гелиевые ожижители-рефрижераторы.

4. Газоразделительные установки. Разделение газовых смесей на составные компоненты также относится к основным задачам криогеники. В процессе разделения, как правило, газовую смесь охлаждают до температуры конденсации.

Основная исходная газовая смесь − это атмосферный воздух, из которого получают азот, кислород, аргон, а также редкие газы (криптон, ксенон, неон). Процессы конденсации используют для разделения природных и попутных газов, для выделения редких изотопов. Установки формируют с учетом свойств рабочего вещества, производительности, вида получаемого продукта и ряда других факторов.

Один и тот же термодинамический цикл может быть применен в рефрижераторных, ожижительных и газоразделительных установках, выполняющих различные задачи. В связи с этим необходима классификация по способу получения холода, позволяющая подразделять циклы по типу применяемых термодинамических процессов охлаждения.

По способу получения холода циклы криогенных установок подразделяют на группы, каждая из которых включает ряд типов в зависимости от процесса охлаждения.

1. Циклы на основе термомеханической системы, для которой рабочей средой являются газ или жидкость. В этой системе процессы осуществляются воздействием давления р (обобщенной силы) на объем v (обобщенную координату). В этих циклах используют следующие термодинамические процессы охлаждения: дросселирование, расширение в детандере, выхлоп из постоянного объема, изотермическое расширение с подводом теплоты, испарение жидкого криоагента. В ряде циклов используют сочетание этих процессов.

2. Циклы с использованием рабочей среды в твердом состоянии. В этих циклах применяют такие процессы охлаждения, как адиабатное размагничивание и термоэлектрическое охлаждение.

3. Циклы на основе изотопов гелия. К этой группе можно отнести циклы, использующие особые свойства такой рабочей среды, как ожиженные изотопы гелия 4 Не и 3 Не. В частности, достаточно широко применяют процесс растворения 3 Не и 4 Не.

Первая из указанных групп циклов наиболее обширна и является основной в криогенной технике, поскольку в промышленных установках используют именно термомеханическую систему. Адиабатное размагничивание и растворение 3 Не и 4 Не предназначено главным образом для получения сверхнизких температур (ниже 1 К). Эти системы используют в физических экспериментах; промышленного применения они практически не имеют.

Источник