Дросселирование газов
Содержание
1)Холодильные циклы без
отдачи внешней работы (с дросселированием газа)
·
Цикл
с простым дросселированием;
·
Цикл
с двукратным дросселированием;
·
Цикл
с предварительным охлаждением;
2) Холодильные циклы с
расширением сжатого газа в детандере
·
Цикл
высокого давления (цикл Гейландта)
·
Цикл
среднего давления
·
Цикл
низкого давления
3) Список используемой литературы
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 I до 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 III до 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 I и охлажденный до комнатной температуры воздух поступает
в теплообменник II в
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)+qn и 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 V жидкий 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 I до
промежуточного давления.
На диаграмме T
– S линия 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:
q0= x(i1-i0)+qп=(i2-i3)+M(i1-i2)
Первый член этого выражения (i2-i3) представляет
собой холодопроизводительность, обусловленную дросселированием 1 кг воздуха от высокого давления до среднего, а член M(i1-i2) – холодопроизводительность, обусловленную дросселированием М
кг воздуха от среднего давления до 1 ат.
(Рис. 3)
Цикл с предварительным охлаждением
Дальнейшим усовершенствованием холодильных циклов с
дросселированием является предварительное охлаждение сжатого воздуха холодом,
полученным в аммиачной холодильной установке. Сжатый воздух (рис. 4) сначала
охлаждается обратным потоком несжиженной части воздуха в предварительном
теплообменнике II , а затем поступает в аммиачный
холодильник III , где охлаждается за счет испарения
аммиака до температуры около -40° С. Далее воздух охлаждается в главном
теплообменнике IV , после чего дросселируется. Несжиженная
часть воздуха проходит через главный и предварительный теплообменник.
Назначение предварительного теплообменника заключается в полном использовании
холода несжиженной части воздуха, которая в главном теплообменнике может быть
нагрета лишь до температуры охлаждения сжатого воздуха в аммиачном
холодильнике.
На диаграмме T
– S 2״ соответствует охлаждению воздуха в предварительном
теплообменнике, а точка 2׳
– его охлаждению в аммиачном холодильнике. Точка 1׳, характеризующая состояние несжиженной части воздуха на выходе
из главного теплообменника, отвечает той же температуре, что и точка 2׳.
Холодопроизводительность цикла составляет:
q0=x(i׳1-i0)+qп. = i׳1
– i׳2
т. е. равна разности энтальпий несжиженного воздуха, уходящего
из главного теплообменника, и сжатого воздуха, поступающего в этот
теплообменник.
Количество тепла, отнимаемого в аммиачном холодильнике,
составляет:
qам.=(i׳1-i׳2) – (i1- i2)+x(i1-i׳1)
т. е. равно разности холодопроизводительностей данного (i׳1-i׳2) , необходимое для охлаждения сжимаемой
части воздуха от температуры засасываемого воздуха до температуры охлаждения в
аммиачном холодильнике при 1 ат.
(Рис. 4)
Цикл с двукратным дросселированием и предварительным
охлаждением.
Этот цикл является комбинацией циклов с двукратным дросселированием
и предварительным охлаждением.
Холодопроизводительность цикла:
q0=x(i׳1-i0)+qп=(i׳2-i׳3)+M(i׳1-i׳2)
Количество тепла, отводимого в аммиачном холодильнике,
составляет:
qам=[(i׳2-i׳3)+ M(i׳1-i׳2)]-[(i2-i3)+M(i2-i1)]+ x(i1-i׳1)
т. е. равно разности холодопроизводительностей данного цикла и
цикла с двукратным дросселированием без предварительного охлаждения плюс тепло x(i1-i׳1), необходимое для охлаждения сжижаемой
части воздуха от температуры засасываемого воздуха до температуры охлаждения в
аммиачном холодильнике при 1 ат.
Здесь величины i1 и i3 соответствуют точкам 2 и 3 на рис. 3,
а i׳1,i׳2 и i׳3 –
энтальпии воздуха при температуре после аммиачного холодильника и
соответственно низком, среднем и высоком давлениях.
Холодильные циклы с расширением сжатого
газа в детандере
Цикл высокого давления (цикл Гейландта)
Сжатый до давления ~200 ат воздух (рис. 5) разделяется на две
части, из которых одна направляется в детандер II, а другая в теплообменник III и далее в дополнительный теплообменник IV.
Охлажденный в теплообменниках воздух дросселируется и часть
его сжижается. Несжиженная часть проходит дополнительный теплообменник, после
чего смешивается с воздухом, расширившимся и охладившимся в детандере. Эта
смесь охлаждает сжатый воздух в теплообменнике III.
q0=x(i1-i0)+qп.=(i1-i2)+M(i2-i8)
Первый член (i1-i2)
выражает холодопроизводительность, получаемую в результате
дросселирования, а член M(i2-i8) –
холодопроизводительность, соответствующую работе отданной, в детандере.
Коэффициент полезного действия детандера в условиях данного цикла составляет ~0,7.
(Рис. 5)
Цикл среднего давления .
Сжатый до давления 25 – 40 ат воздух поступает в
предварительный теплообменник II, где
охлаждается до температуры около -80˚ С (точка 3). Затем часть воздуха
поступает в детандер III,
где, расширяясь до 1 ат, охлаждается до температуры порядка -140˚ С.
Другая часть воздуха охлаждается в главном теплообменнике IV и при этом конденсируется. Жидкий воздух
для удаления его из системы дросселируется до атмосферного давления и поступает
в сборник VI. Испаренная при этом часть воздуха вместе с воздухом,
выходящим из детандера, проходит через главный и предварительный теплообменник.
Обозначая через M
долю воздуха, походящего через детандер (М
принимают ~0,8), находим холодопроизводительность цикла:
q0=x(i1-i0)+qп.=(i1-i2)+M(i3-i8)
Недостатком данного цикла является работа детандера при
низких температурах, что приводит к снижению его к. п. д. до 0,6 – 0,65.
(Рис. 6)
Цикл низкого давления.
Недостатком цикла среднего давления, заключающийся в низком
к. п. д. детандера при работе его в условиях низких температур, может быть
устранен применением турбодетандера. П. Л. Капица разработал конструкцию
турбодетандера, обладающего высоким к. п. д. при низких температурах, что
позволило снизить давление сжатого воздуха и осуществить цикл низкого давления
(Рабс.=5,5 – 6 ат). Это в свою очередь сделало возможным
применение для сжатого воздуха турбокомпрессоров и использования регенераторов
в качестве теплообменников. Принципиальная схема цикла низкого давления такая
же, как и схема цикла среднего давления.
Список литературы.
Процессы и аппараты химической технологии (А. Н.
Плановский, В. М. Рамм, С. З. Каган)
Тольяттинский Социально Экономический Колледж
Реферат
на тему: «Дросселирование газов»
По предмету: Термодинамика
Выполнил: Самарин В. Р.
Студент гр. МХ – 21
Тольятти 2006 г.