Сжижение газов методом адиабатного расширения в детандерах (метод Клода)
Применение детандеров, в которых газ охлаждается при адиабатном расширении с совершением внешней работы, повышает, как мы уже видели, эффективность ожижительных машин. В машинах для сжижения гелия использование расширения в детандерах позволяет, кроме того, отказаться от предварительного охлаждения газа жидким водородом – веществом, легко воспламеняющимся и взрывоопасным. Обе эти причины привели к широкому использованию детандерных машин.
Впервые такая машина была построена Клодом (1902 г.) для сжижения воздуха. Схема машины представлена на рис. 6.
рис. 6
Газ подвергается изотермическому сжатию в компрессоре К, откуда он поступает в теплообменник Е1. Здесь он разделяется на два потока (в точке О). первый идет через теплообменник Е2 к дроссельному вентилю и подвергается дросселированию с охлаждением за счет эффекта Джоуля – Томсона; второй поток (на его долю приходится 80 % газа) поступает в детандер, расширяется в нем, совершая работу, и за этот счет охлаждается. Из детандера охлажденный газ возвращается в теплообменник Е1, охлаждая встречную очередную порцию сжатого газа. К нему в точке О' присоединяется и тот газ, который охладился в результате дросселирования. До этого он, проходя через теплообменник Е2, тоже охлаждал встречный газовый поток.
Из приведенного краткого описания видно ,что охлаждение в детандере используется для предварительного охлаждения перед дросселированием.
|
|
|
В первой машине Клода детандер представлял собой поршневую машину. Работу, которую в ней совершает сжатый газ, можно использовать для облегчения работы компрессора, для принудительной смазки машины и т.д.
Условия, характерные для машины Клода (ожижающей воздух), примерно таковы: давление на выходе компрессора 40 атм, температура на входе в детандер (т.е. после охлаждения в теплообменник Е1) 200 К; температура после расширения в детандере 110 К при давлении в 1 атм.
Существует много различных по конструкции машин типа Клода для сжижения воздуха. Одной из самых интересных является машина П. Л. Капицы, в которой поршневой детандер заменен турбиной (турбодетандер). Другой возможностью этой машины является низкое давление, по которым газ поступает в детандер. Оно равно лишь 6,5 атм. Зато в этой машине почти весь газ (а не 80%, как в машине Клода) проходит через детандер. В результате расширения в турбодетандере газ охлаждается до 86 К и сжижает ту часть газа, которая миновала детандер. Получившаяся жидкость находится под повышенным давлением и дросселируется через соответствующий вентиль к боле низкому давлению.
Расширение в детандерах (исключительно поршневых) используется также в машинах для сжижения водорода и гелия. Первая детандерная машина для сжижения гелия также была построена П. Л. Капицей (1934 г). Она была рассчитана на предварительное охлаждение гелия не жидким водородом, а жидким азотом. Недостающее охлаждение создавалось расширением в детандере. Самое ожижение газа производилось дросселированием.
|
|
|
При использовании детандеров в гелиевых ожижительных машинах возникает острая проблема смазки, так как при тех низких температурах, которые создаются в таких машинах, все смазочные средства твердеют. В детандере П. Л. Капицы смазкой служит сам гелий, для которого между поршнем и цилиндром оставлялся зазор около 0,05 мм. Впоследствии Коллинз (1947 г) построил детандерную машину для сжижения гелия, усовершенствовав детандер П. Л. Капицы (зазор в детандере Коллинза не превышает 10 микрон). Машина Коллинза снабжен двухступенчатым детандером и может работать без предварительного охлаждения гелия. Производительность машины сравнительно велика – до 10 литров в час, а с предварительным охлаждением жидким азотом – до 30 литров в час.
Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 125; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!