7.2.2. Цикл низкого давления с турбодетандером

Цикл впервые предложен академиком П.Л. Капицей. Для этого цикла П.Л. Капица создал высокоэффективный турбодетандер c _s0,80  0,85. Цикл осуществлен в 1937 г. в установке для ожижения воздуха, позднее - в установках для получения жидкого кислорода.

Схема цикла и процессы на диаграмме Т-s представлены на рис. 29. Воздух (точка 1) сжимается в турбокомпрессоре К до давления 0,6-0,7 МПа, охлаждается в холодильнике X и поступает в регенераторы Р (точка 2), где охлаждается (точка 3). Примем количество сжатого газа за единицу. Основное количество D газа направляется в турбодетандер ТД и расширяется (точка 4'). Вторая часть газа (1 - D) охлаждается и конденсируется в теплообменнике-конденсаторе ТК (процесс 3-7-5'-5 на рис. 29). Жидкость (точка 5) дросселируется через вентиль ДВ и частично испаряется (точка 4). Жидкость в количестве х (состояние f) отводится из системы, а газ в количестве 1 – D – х смешивается с детандерным потоком и нагревается в теплообменнике-конденсаторе ТК (точка 6) и регенераторах (точка 1’). Температура воздуха перед турбодетандером должна быть такой чтобы воздух после расширения был перегрет на 13 К по сравнению с насыщенным паром. Коэффициент ожижения х можно вычислить по уравнению (96), в котором D  (1 – ах). Коэффициент (а =1,1  1,25) зависит от степени испарения жидкости при ее дросселировании.

а = 1/(1 — а_п), (105)

где а_п - доля испарившейся при дросселировании жидкости.

Доля дроссельного потока D_драх. (106)

Эффективность цикла в ожижительной установке возрастает при увеличении доли детандерного потока и КПД детандера. Коэффициент ожижения х  5,8 % от количества сжатого газа при КПД _s = 0,8; 1₀  5,76 МДж (1,60 кВтч) на 1 кг жидкого воздуха. При использовании турбомашин (компрессора и детандера) с высоким КПД и эффективных теплообменных аппаратов затрачиваемую работу можно уменьшить.

Рис. 29. Цикл низкого давления установки с турбодетандером:

а) схема; б) диаграмма Т-s

При низком давлении в установке можно использовать регенераторы, в которых воздух не только охлаждается, но осушается и очищается от СО₂. Кроме того, воздух не загрязняется парами масла, т.к. сжатие и расширение происходит в турбомашинах; имеются и другие технологические преимущества цикла низкого давления.

Под руководством академика П.Л. Капицы были разработаны и изготовлены несколько воздухоразделительных установок низкого давления; наиболее крупная установка была рассчитана на часовую производительность 1500 кг жидкого кислорода. Эти работы предопределили разработку и создание всех современных установок на основе цикла низкого давления с высокоэффективным турбодетандером, особенно установок для разделения воздуха и получения газообразных кислорода и азота.

Рассмотренные классические циклы с детандерами (рис. 27, 29, см. стр. 66, 71) являются двухступенчатыми; их довольно широко применяют в технике ожижения и разделения воздуха. Для работы в области более низких температур, а именно для гелиевых и водородных криогенных систем, используют более сложные циклы с расширением газа в детандерах и дросселированием. Дальнейшее развитие классических схем идет по двум основным направлениям: применение предварительного охлаждения и увеличение числа детандеров, т.е. использование каскада детандеров. В результате формируют сложные многоступенчатые циклы, обеспечивающие достаточную эффективность при весьма низких температурах.