Термодинамічні аспекти ефективного застосування попереднього охолодження у циклах кріогенних установок і холодильних машин

Abstract

Попереднє охолодження почали застосовувати у кріогенних установках майже 120 років тому. У 1900 р. на міжнародній промисловій виставці у Парижі вперше демонструвався зріджувач повітря, створений Лінде. У ньому використовувався кріогенний регенеративний цикл із подвійним дроселюванням та циркуляцією частини потоку повітря високого тиску. До складу установки було введено аміачну холодильну машину для охолодження повітря до температури –50 °С. Пізніше попереднє охолодження почали застосовувати й у інших кріогенних установках. Таке охолодження є принципово обов'язковим у водневих та гелієвих зріджувачах і рефрижераторах, в зріджувачах природного газу, установках для виробництва низькотемпературного рідкого діоксиду вуглецю. Зумовлено це тим, що верхні температури інверсії дросель-ефекту водню та гелію істотно нижчі від температури навколишнього середовища, а саме –69 і –233 °С (204 і 40 К), відповідно. У статті вперше наведено виведення формули, що дозволяє здійснювати початкову оцінку ступеня покращення показників кріогенної установки (КУ), в якій застосовується попереднє охолодження кріоагенту за допомогою парокомпресорної холодильної машини (ПХМ). У КУ реалізується регенеративний дросельний цикл на азоті, ПХМ працює на аміаку. Розглянуто два варіанти організації попереднього охолодження на рівнях температур 240 і 220 К. При розрахунках кріогенної установки зі з’єднаними термодинамічними циклами прийнято, що холодопродуктивність КУ незмінна і дорівнює 100 Вт при температурі 77,35 К. Попереднє охолодження до 240 і 220 К дозволило підвищити холодопродуктивність системи «КУ+ПХМ» до 165,6 та 199,7 Вт. Коефіцієнт ефективності системи зріс у 1,63 та 1,93 рази. Приблизно у стільки ж разів збільшився ексергетичний ККД. Використання попереднього охолодження таким чином дозволяє суттєво покращувати показники з'єднаних циклів