3.4. Детандерные циклы
Как было показано ранее, детандирование эффективнее, чем дросселирование (при детандировании достигается более низкая температура, производится больше холода и возвращается работа). Выражение «детандерные циклы» означает, что основное количество холода «производится» в детандере.
3.5. Детандерный цикл среднего давления
Исторически первым детандерным циклом явился цикл, предложенный Клодом. Схема установки, реализующей цикл Клода, и изображение цикла в диаграмме приведены на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Схема установки и детандерный цикл среднего давления
А 1 - предварительный теплообменник
А 2 - детандерный теплообменник
А 3 - ожижительный теплообменник
Составим уравнение энергетического баланса для выделенного контура.
(3.15)
где z – коэффициент ожижения. Приведенное выше соотношение показывает, какова доля жидкости (z < 1) может быть ожижена из массы газа, сжимаемого в компрессоре. Знаменатель – это количество тепла, которое нужно отвести от газа, при давлении и температуре среды, чтобы перевести его в жидкость.Числитель – количество тепла, которое может быть отведено в данном цикле.
Энергетические характеристики определяются следующими уравнениями
(3.16)
Из выражения для холодопроизводительности детандера, на первый взгляд, следует, что целесообразно направлять в детандер возможно большее количество газа ( в связи с тем, что холодопроизводительность детандера пропорциональна количеству газа, направляемого в детандер D ) при сравнительно высокой температуре Т3 ( так как адиабатический перепад энтальпий в детандере, а следовательно и его холодопроизводительность, растут с увеличением Т3 ).
Анализ работы схемы, однако, показывает, что выбор D и Т3 не может быть произвольным, т.к. следует принимать во внимание условие теплообмена. Действительно, если, например, зафиксировать долю газа, направляемого в детандер D, и увеличивать температуру газа перед детандером Т3, то могут возникнуть затруднения с передачей детандерного холода потоку газа высокого давления Р2.
Из рассмотрения работы детандерного теплообменника следует, что, если в точке 3 отбирается значительная доля детандерного потока D, то этим самым уменьшается доля прямого потока, идущего на дросселирование. Количество детандерного холода вместе с холодом обратного потока окажется столь большим, что часть его уже не сможет быть передана газу высокого давления. В итоге обратный поток уйдет из предварительного теплообменника с большой недорекуперацией даже при самом идеальном теплообмене. Для уменьшения потерь от недорекуперации необходимо сокращать долю газа D, направляемого в детандер, до тех пор, пока условия теплообмена не будут выполнены.
Анализ рассматриваемого цикла показывает, что каждому значению давления Р2 соответствуют оптимальная доля газа D, направляемая в детандер, и оптимальная температура Т3 газа перед детандером. С увеличением Р2 уменьшается D и возрастает Т3.
Эффективность работы детандера характеризуется величиной адиабатического коэффициента, который определяется выражением
(3.17)
Таким образом, оптимальные значения Т3, Р2 и D определяются с помощью вариантных расчетов.