5.2.3. Ожижитель Капицы

Более экономичным является ожижитель воздуха, в котором используется дополнительное охлаждение в СПО при помощи детандеров.

В 1939 г. академик П. Л. Капица разработал квазицикл, в котором за счет расширения воздуха в детандере удалось перейти на низкое давление. Если в квазицикле Линде сжатие осуществляется до 10 … 20 МПа, то в квазицикле Капицы – до 0.5 … 0,7 МПа.

Первым преимуществом низкого давления является использование турбомашин для сжатия и расширения воздуха. Однако это стало возможным только после того , как П. Л. Капица разработал специальный турбодетандер, позволяющий получить и в области, близкой к состоянию насыщения, адиабатный КПД, равный 0,80 … 0,86.

Вторым преимуществом низкого давления является возможность применения вместо теплообменников-рекуператоров более выгодные теплообменники–регенераторы, в которых одновременно с теплообменом происходят и процессы массообмена, т. е. осушка и очистка воздуха от диоксида углерода, паров масел. Кроме того, применение регенераторов позволяет сделать установку более компактной и снизить эксплуатационные расходы.

Схема ожижителя Капицы и изображение квазицикла в Т, s-диаграмме приведены на рис. 5.3 и рис. 5.4 соответственно.

Воздух сжимается в турбокомпрессоре I от давления рп до давления pm и охлаждается до температуры окружающей среды Тос в охладителе II (процесс 1 – 2). Затем воздух направляется в регенеративный теплообменник III, где охлаждается обратным потоком воздуха (процесс 2 – 8). После этого сжатый воздух разделяется на две части. Первая в количестве М = 0,90 … 0,95 поступает в турбодетандер VII. Вторая часть (1 – М) газа проходит через теплообменник-охладитель VI, где она конденсируется (процесс 8 – 3) и после дросселирования (процесс 3 – 4) в дросселе IV направляется в отделитель жидкого воздуха V. Полученная жидкость в количестве у отводится из отделителя, а оставшийся воздух вместе с воздухом, поступившим после расширения (процесс 8 – 6) из детандера, направляется в теплообменники VI и III, где нагревается до температуры Т7 (процесс 6 – 7) и выводится в атмосферу.

Рис. 5.3 Рис. 5.4

Количество получаемого жидкого воздуха на единицу воздуха, поступающего в CПТ, можно получить из уравнения энергетического баланса аналогично квазициклу Линде:

у = ( ΔhТ – Δhп – qиз + МΔhд ) / ( qож – Δhп ), (5.4)

где МΔhд - холодопроизводительность детандера.

Удельный расход электроэнергии на 1 кг ожиженного воздуха определяется затратами работы в компрессоре с учетом работы, возвращаемой детандером:

Nэ = [lиз/( ) – МΔhд ] / у, (5.5)

где lиз - изотермическая работа компрессора; - электромеханические КПД компрессора и детандера; - относительный изотермический КПД компрессора.

Из формулы (5.5) видно, что для увеличения у и уменьшения Nэ долю М направляемого в детандер воздуха следует принимать возможно большей. Однако максимальное значение М ограничено минимальной разностью температур ΔТm-n = 3 … 5 К в регенеративном теплообменнике. В противном случае возрастают потери теплоты от недорекуперации в регенеративном теплообменнике, что приводит к снижению у.