Lektsii_Lavrova_NOK (1) (Все лекции ), страница 12

= ℎ9 + (1 − )ℎ7х = (ℎ7 − ℎ1 ) − (ℎ7 − ℎ9 ) − о.с.ℎ7 − ℎ1 = ∆ℎТ1 − 7 ∆нℎ7 − ℎ9 = ∆ℎТ′1 − 8 ∆н∆ℎТ1 – тепловой эффект дросселирования с максимального до минимального значения давленияпри температурном уровне сжатия Т1∆ℎТ′1 - тепловой эффект дросселирования с промежуточного до минимального давления притемпературе изотермического сжатия Т1′х = ∆ℎТ1 − ∆ℎТ′1 − (7 ∆н − 8 ∆н ) − о.с.Данная величина отличается от полезной холодопроизводительности цикла простогодросселирования на величину недоиспользования теплового эффекта дросселированиянасыщенного пара с промежуточного до окончательного давления.147Рисунок 148. Дросселирование пара и жидкости.Если дросселировать насыщенный газ в (.) 8, то получится парожидкостная область 8 ’ (.) снебольшим количеством жидкости, которая могла быт использована для увеличения х , поэтому вцикле двойного дросселирования получаем меньшую холодопроизводительность, чем ваналогичном цикле простого дросселирования.х дв.др.< х пр.др.Лекция №23.01.12.2014 = сж 1 − сж2(1 − )1 ln=из 1првс1 ln+нприз 2148Поскольку через первый компрессор проходит меньшее количество хладагента на величинуотбора паровой фазы после первого дросселирования, поэтому суммарная работа сжатия обоихкомпрессоров будет меньше, чем работа в цикле простого дросселирования при тех же ????.

дв.др.< пр.др.Причём уменьшение работы в данном случае более существенно, чем сокращение полезнойхолодопроизводительности, поэтому холодильный коэффициент = х будет больше, чемхолодильный коэффициент аналогичного цикла простого дросселирования. дв.др.> пр.др.Аналогично, степень термодинамического совершенства будет больше, чем в цикле простогодросселирования.Т =кТ дв.др.> Т пр.др.Замечание: с ростом давления нагнетания увеличиваются характеристики цикла двойногодросселирования, но менятеся величина M , поэтому оптимизацию надо проводить не только пон , но и по величине отбора.Ожижительный режим.Рисунок 149.

Схема и TS- диаграмма ожижительного режима.Запишем уравнение теплового баланса для низкотемпературной части установки:ℎ1 + о.с. = ℎ9 + (1 − − )ℎ7 + ℎ∗ (ℎ7 − ℎ∗ ) = (ℎ7 − ℎ1 ) − (ℎ9 − ℎ1 ) − о.с.ℎ7 − ℎ1 = ∆ℎТ1 − 7 ∆нℎ9 − ℎ1 = ∆ℎТ′1 − 9 ∆н=∆ℎТ1 − ∆ℎТ′1 − (7 ∆н − 9 ∆н ) − о.с.ℎ7 − ℎ∗149Коэффициент ожижения, как видно из этого выражения, меньше ожижения цикла простогодросселирования на величину недоиспользования теплового эффекта дросселированияотводимого от сепаратора с промежуточного давления до давления всасывания.

= сж = сж 1 + сж 2=(1 − )1 ln првсиз 1 0 =+1 ln нприз 2кДж] 0 [кг жидк.кДж] [кг сж. газакг жидк.] [кг сж. газаРисунок 150. Минимальная работа ожижения.Дано:2 ; 1 = 300К; ∆н = 5К; вс = 0,1МПа; пр = 4МПа; н = 20МПа; из 1 = из 2 = 0,65; о.с.кДж=3; = 0,4кг, 0 , Т −?Решение:1) по вс и 1 ⇒ ℎ1′ = 311,2пр и 1 ⇒ ℎ1′′ = 303кДжкгкДжкгкДж; 1 = 6,844 кг∙К ;;150н и 1 ⇒ ℎ1 = 279кДжкг;2) вс ⇒ ∗ = 77,24Кℎ∗ = 121,9кДжкДж; ∗ = 2,835;кгкг ∙ К∆ℎТ1 = ℎ1 − ℎ1′ = 31,9кДж;кг∆ℎТ2 = ℎ1′′ − ℎ1′ = 8,2кДж;кг=∆ℎТ1 − ∆ℎТ2 − (7 ∆н − 9 ∆н ) − о.с.= 0,111ℎ1 − 7 ∆н − ℎ∗сж =(1 − )1 ln првсиз 1 0 =+1 ln нприз 2= 523,9кДж= 4720кг = 1 (1′ − ∗ ) − (ℎ1′ − ℎ∗ ) = 1010Т =кДжкгкДжкг= 0,213 0Пусковые режимы дроссельных циклов.Рассмотрим пусковой режим ожижительного цикла простого дросселирования:Рисунок 151.

Пусковой режим простого дроссельного ожижительного цикла.151Первоначально все элементы низкотемпературной части установки имеют температуруокружающей среды.Наибольшей теплоёмкой массой обладает теплообменник по сравнению с трубопроводами,сепаратором и дроссельным устройством. Поэтому основная часть "холода", вырабатываемая приизотермическом сжатии в компрессоре будет затрачиваться на охлаждение теплообменника.В t=0 температура перед дросселем (.) 2 будет равна температуре изотермического сжатия вкомпрессоре.С течением времени происходит охлаждение стенки теплообменника и охлаждение прямогопотока.Но всё равно в начальный момент времени после дросселирования жидкости не образуется итолько после полного охлаждения теплообменника – в сепараторе появится жидкая фаза.Комбинированные циклы с дросселем и детандерами.После создания детандеров (низкотемпературных двигателей) их начали использовать в качествеосновного 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.152Поэтому детандеры стали использовать не в качестве окончательного устройства для расширения,а на части сжатого потока на темп. уровне , превышающем значение , при котором получаетсяпарожидкостная смесь.Детандеры устанавливают на трех температурных уровнях:1) Начало расширения в детандере происходит на температурном уровне изотермическогосжатия в компрессоре( цикл Гейланда)2) На промежуточном температурном уровне3) На самом низком температурном уровне( цикл Клода) при условии, что после детандеране образуется парожидкостной смеси.Обычно первые два цикла используются для ожижения газов.

Последний- вгазоразделительных установках.Цикл Гейланда:Рисунок 153. Цикл Гейланда.1) С точки зрения использования детандеров цикл Гейланда является наиболеепредпочтительным , поскольку начало расширения в детандеров происходит на самыйвысокий температурный уровень-температура изотермического сжатия.2) Теоретически температура Т10 после расширения в детандере и Тy обратного потока навыходе из нижнего теплообменника должны быть одинаковы.

В реальности происходитнекоторая разница температур , что приводит к дополнительной потере смешения.3) Основным холоднопроизводственным процессом в цикле является расширение вдетандере с отводом внешней теплоты, поскольку даже для газов с температуройинверсии выше температуры окружающей среды тепловой эффект расширения напорядок меньше чем работа в детандере. Давление сжатия в цикле Гейландаобуславливается верхним давлением инверсии используемого газа при температуреизотермического сжатия в КМ.Например, для воздуха эта величина составляет 42 МПа.153Обычно максимальное давление не превосходит 20 МПа.

Из уравнения теплового балансаможно определить коэффициент ожижения цикла:ℎ1 + .. = ∙ дет + ∙ ℎж + (1 − ) ∙ ℎ9 ∙ (ℎ9 − ℎж ) = ∙ дет + (ℎ9 − ℎ1 ) + .. =∙ дет + ∆ℎ 1 − (9 ∆ + .. )Оптимизация данного цикла происходит не только по величине pн , но и по относительномуколичеству потока D , идущего на детандер с формальной точки зрения. Чем больше величинаD , тем, по формуле, больше коэффициент ожижения. Поэтому проводят более глубокийанализ 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 впредыдущем случае, но работа детандера будет меньше, поскольку температура началапроцесса расширения понижается.Фактически работа установки по циклу с детандерами во многом определяется работойтеплообменников.154Поскольку в нижнем теплообменнике обратный поток по количеству в два раза меньше чемпрямой поток, то охлаждение прямого потока будет достаточно слабым, И в ряде случаевтемпература перед дроссерами будет достаточно высокой и после дросселеров.

Будет маложидкости. Поэтому необходимо понизить температуру прямого потока на выходе в нижнийтеплообменник. Это можно сделать с помощью понижения температурного уровнядетандера, соответственно понизить температуру на входе в детандер.Числовой пример:N2; pвс=0,1 МПа; pн=5 МПа; D=0,6; T2=270 К; ηдет=0,85lдет=180 кДж/кг газа в детандереΔhT1=10 кДж/кгx=0,273; Ne0=877 кДж/кг жидк.ΔhT1<< lдетЗависимость Ne0 от доли детандерного потока.Чем выше давление, тем цикл становится более эффективным( увеличивается работадетандера).Рисунок 155.

Зависимость Ne0 от доли детандерного потока.Для каждого pн КМ существует оптимальное количество детандерного потока при которомполучается минимальная работа, требуемая для ожижения газа.Чем выше давление, тем меньше оптимальное значение детандерного потока D.Необходимо оптимизировать значение температур на входе в детандер.155Цикл КапицыВ цикле Гейланда и Клода используется высокое давление сжатия, то есть приходитсяприменять тяжелые и малоуравновешенные КМ.В случае если необходимо ожижать воздух в больших количествах для воздухоразделяющихустановок , то использование детандерных циклов с высоким давлением крайне трудоемко.Поэтому Капица предложил модифицированный цикл Клодас детандеров стоящим на самомнизком температурном уровне, отличия :1) Использовалось низкое давление 6-7 атм.

И использовались теплокомпрессоры. Этопривело к большому расходу энергии и маленькому коэффициенту ожижения х=0,05 ибольшому количеству потока, проходящего через детандер D=0,94.2) Вместо поршневых детандеров использовались турбодетандеры с прямыми лопаткамиизоэнтропный кпд такого детандера составлял 0,82.3) Замена рекуперативных теплообменников , сделанных из медной трубки, ( больших итяжелых) на систему переключающихся регенераторов На регенераторы, первоначальнозаполняющиеся базальтовыми камнями, а затем мет.

Насадкой( стружкой, обрезкамипроволоки) , а затем правильной( упорядоченной насадкой – алюминиевым гофролистомс отверстиями ) это позволило увеличить поверхность теплообмена до 1000 м2 накубометр объема.Достоинства установки Капицы1) Сравнительно малые размеры, вследствие использования регенераторов.2) Уравнение используемых турбомашин по сравнению с поршневыми.3) Следствие попадания масла в воздушный тракт , поскольку масло использовалосьтолько для смазывания турбомашин.4) Замена сложной системы очистки сжатого воздуха, используя регенератор , внутрикоторого 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 воздухохлаждается в « холодном» регенераторе куда направляется системой клапанов. Охлажденный156воздух т.2 раздваивается- большая часть идет через детандер, а меньшая - через рекуперативныйто есть где охлаждается т.3 и дросселируется с большим количеством получившейся жидкости.Жидкость выводится из установки в ВРУ , а образовавшийся пар смешивается с потоком издетандера т.5, нагревается в рекуперативном теплообменнике и через систему переключающихсяклапанов подается в «теплый» регенератор , охлаждая его и после этого поступая на всасывание втурбокомпрессор.Температура воздуха высокого давления на выходе из регенератора должна быть такой, что послерасширения в детандере в точке 5 получился бы практически насыщенный пар, то есть потерисмешения в точке 5 не происходит и прямой поток из рекуперативного прямого теплообменника вточке 3 не только охлаждается но и конденсируется с последующим переохлаждением жидкости.Поэтому на вход дроссель подается только жидкий воздух и после дросселирования получаетсяболее 90% насыщенной жидкости.Использование цикла Капицы позволило создать установки для получения газообразного О2производительность 35000 нм3/часСвойства 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.вр , МПауст , МПаТ , МПаМатериал300К150К4,2К900К150К4,2К300К150К4,2КAl420500750300330500100200160Нержавеющая 1200Сталь132016001170130013508109801150Углероднаясталь6001000300420700160310750420При испытании на усталостную прочность, осуществляю порядок 1 млн.