Холодильные циклы без отдачи внешней работы (с дросселированием газа)

Рассмотрим холодильный цикл с дросселированием газа (рис. 1). Газ с давлением P

1

и абсолютной температурой Т

1

изотермически сжимается в компрессоре I

до давления P

2

(линия 1 - 2), после чего, пройдя дроссельный вентиль II

, газ расширяется до первоначального давления P

1

, а его температура снижается до Т

3 (линия 2 – 3 при i

2

=

const

). Охлажденный газ нагревается в подогревателе III

до первоначальной температуры Т

1

(линия 3 – 1 при р

1

=

const

), отнимая от охлаждаемой среды количество тепла, равное холодопроизводительности 1 кг газа:

q

0

=

q

дрос.

=

i

1

-

i

2

(Рис. 1)

Таким образом, холодопроизводительность при дросселировании равна разности энтальпии газа (i1-i2) до и после изотермического сжатия в компрессоре.

Количество тепла, отводимого при изотермическом сжатии газа, равно: -

q

=

T

1

∆

S

где ∆

S

–

изменение энтропии (длина отрезка 1 - 2).

Работа, затраченная в компрессоре на сжатие газа (при температуре Т

1

), согласно уравнению l

+

q

=

i

2

–

i

1

составляет

l

компр

.

=-

q+( i

1

-i

2

)= T

1

∆S-q

дрос

.

или с учетом к. п. д. компрессора ŋ

к

l

комп

.=

T

1

∆S-q

дрос

ŋ

к

Температура после дросселирования может быть снижена путем рекуперации холода. Для этого сжатый газ до поступления в дроссельный вентиль пропускают через теплообменник, где охлаждают расширенным газом перед его подачей в компрессор из подогревателя. Холодопроизводительность и затрата работы на сжатие газа при рекуперации холода не изменяются.

Используя дросселирование воздуха в сочетании с рекуперацией холода, К. Линде разработал рассматриваемые ниже циклы получения жидкого воздуха.

Цикл с простым дросселированием.

Сжатый в компрессоре I

и охлажденный до комнатной температуры воздух поступает в теплообменник

II

в точке 2. Пройдя теплообменник, воздух дросселируется до атмосферного давления и вновь направляется в теплообменник, двигаясь противотоком по отношению к поступающему сжатому воздуху. Дросселированный воздух охлаждает сжатый воздух, вследствие чего температура последнего перед дросселированием все более снижается, пока не наступает частичное снижение воздуха в точке 4. После этого жидкий воздух выводится из системы и в теплообменник возвращается лишь несжиженная часть воздуха.

На диаграмме T

–

S

линия 1- 2 выражает изотермическое сжатие воздуха в компрессоре, линия 2 – 3 – охлаждение сжатого воздуха в теплообменнике (при постоянном давлении P

2

), линия 3 – 4 – дросселирование при (i

=

const

). Точка 4 изображает состояние воздуха после

дросселирования. Она лежит в области влажного пара, причем доля сжиженного воздуха х равна отношению отрезка 4 – 5 к отрезку 0 – 5, а точки 0 и 5 изображают состояние жидкого и несжиженного воздуха. Линия 5 – 1 изображает нагревание несжиженной части воздуха (при постоянном давлении P

1

).

(Рис. 2)

Из уравнения q

0

=x

(

i1

-i

0

)+

q

n

и q

0

=

q

дрос.

=

i

1

-

i

2

холодопроизводительность цикла составляет:

q

0

=x(i

1

-i

0

)+q

п.

= i

1

-i

2

Разность i

1

-i

2

возрастает с повышением давления сжатия P

2

, поэтому длинный цикл требует применения значительного давления (около 200 ат) и связан с большим расходом энергии.