Лекция № 12. Потери в теплообменных аппаратах газовых холодильных устано­вок удается значительно снизить при использовании современных вы­сокоэффективных теплообменников с

4-4. РЕГЕНЕРАТОРЫ ГАЗОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Потери в теплообменных аппаратах газовых холодильных устано­вок удается значительно снизить при использовании современных вы­сокоэффективных теплообменников с развитой поверхностью и в осо­бенности при применении регенераторов ^:[Л. 20, 24, 71, 77]. Действие регенераторов основано на использовании теплоемкости массы мате­риала с развитой наружной поверхностью и формой, позволяющей про­пускать через регенератор газ с малыми потерями давления. Через аппарат-регенератор, заполненный таким материалом (насадкой), про­пускают попеременно в противоположных направлениях два потока газа — один теплый, а другой холодный. Когда через насадку прохо­дит теплый газ, то в результате -теплообмена насадка нагревается, а газ охлаждается. При последующем пропускании холодного газа че­рез теплую насадку теплообмен происходит в противоположном на-

Рис. 4-9. Схема работы регенераторов.

правлении: холодный газ нагревается, а насадка охлаждается. Таким образом, тепло аккумулированное насадкой, передается от теплого газа _к холодном}. осле этого через насадку снова пропускается газ и все описанные процессы повторяются. В результате чередования процессов охлаждения и нагреваниянасадки теплый газ выходит из регенератора охлажденным, а холодный нагретым. Чтобы обеспечить непрерывное нагревание одного из газов и охлаждение другого, необходимы два регенератора. ^м

Рассмотрим работу двух регенераторов, в которых осуществляется теплообмен между сжатым н расширенным воздухом (рис. 4-9). Положим, что в данный момент

по регенератору / проходит сжатый _________________

воздух (прямой поток), а по регене­ратору 2—'расширенный воздух (об­ратный поток), как показано сплош­ными стрелками. Проходя холодную насадку в регенераторе 1, воздух несколько подогревает ее, а сам охлаждается; при этом содержащие­ся в нем водяной пар и углекислый _газ конденсируются. Водяной пар оседает на поверхности.насадки в виде воды до 0° С, затем в виде переохлажденной воды до темпера­туры примерно —30° С и при более низких температурах — в виде льда.

Двуокись углерода высаживается на насадке в твердом состоянии при температурах —130° С и ниже в за­висимости от давления воздуха. В регенераторе 2 в это время расширенный воздух проходит через насадку в противоположном направлении, нагревается и выносит выделившиеся на насадке Н2О и С0₂. Массообмен осуществляется за счет диффузи­онного процесса.

Через определенное время (например, 3 мин) первая половина цикла работы регенераторов заканчивается и потоки переключают; сжагый воздух направляют в регенератор 2, а расширенный воздух в регенератор /, как показано штриховыми стрелками. Во второй половине цикла охлаждение и очистка воздуха, сопровождаемые нагреванием насадки, происходят в регенераторе 2. Нагревание воздуха и охлаж­дение насадки, а также очистка насадки от воды, льда и твердой двуокиси углерода происходят в регенераторе 1. После окончания второй половины цикла потоки воздуха снова переключаются в положение, показанное на рис. 4-9 оплошными стрелками, и описанный цикл повторяется. Таким путем осуществляются непрерывное (если не считать короткого момента переключения регенераторов) охлаждение и очистка сжа­того воздуха, а также нагревание расширенного воздуха.

Переключение регенераторов осуществляют посредством клапанов, установленных на трубопроводах. Клапаны, установленные на теплом конце регенераторов, при­водятся в движение с помощью механизма переключения. Эти клапаны называют принудительными. Клапаны на холодном конце открываются и закрываются автома­тически под действием разности давлений сжатого воздуха и выходящего расширен­ного воздуха аналогично клапанам поршневого компрессора.

Рассмотрим положение клапанов для случая, когда по регенератору / ид сжатый воздух, а по регенератору 2—расширенный. В это время на регенераторе i открыты принудительный клапан IB и автоматический клапан В1. Принудительный клапан 1К и автоматический клапан KI закрыты. На регенераторе 2, по которому идет обратный поток, наоборот, клапаны 2В и В2 закрыты, а клапаны как пр уд тельный 2К. так и автоматический К2 открыты. Перепускной клапан II, назначен» которого будет объяснено ниже, в это время закрыт. _иа

Схема переключения потоков с указанием положения клапанов ^{пок 3} ^

рис. 4-9 справа. Положение I соответствует описанному выше. Переключение начи­нается с того, что на первом регенераторе закрываются клапаны В, а на втором л- В положении II все клапаны закрыты. В регенераторе I находится сжатый воздух а в регенераторе 2 — расширенный. В следующий отрезок времени (положение Ш) открывается перепускной клапан, соединяя внутреннее пространство обоих р Р торов. Часть воздуха из первого регенератора переходит во второй, ив о у навливается среднее давление. Этот процесс называется перепуском. После т Давление выравнивается, перепускной клапан закрывается и все клапаны находятся в закрытом положении IV. Затем открываются клапаны В регенератора г и клапаны ^ регенератора I (положение V). Благодаря предварительному перепуску части воздуха из первого регенератора повышение давления в Р^^енеР^ат°Р* „_ат^С°"^Р°/ вожмется меньшим толчком и происходит быстрее. Оставшийся в Р^раторе У воздух при открытии клапана 1К выбрасывается в атмосферу или во всасывающую

линию компрессора, и после того как давление упадет, через регенератор начинает проходить расширенный воздух. Посредством перепуска потери воздуха при откры­тии клалана 1К уменьшаются примерно в 2 раза (с 6 до 3%). Таким образом, при­менение перепускного клапана в регенераторах уменьшает потери воздуха и толчки при переключениях. Следующее переключение происходит так же, но в противополож­ном направлении.

Величины отрезков времени, в течение которых происходят различные этапы переключения регенераторов, удобнее всего проследить по так называемой цикловой диаграмме, показанной на рис. 4-10. На этой диаграмме показано положение каж­дого из пяти клапанов в различные периоды. С целью сокращения длины диаграммы на ней сделаны разрывы в промежутках между переключениями, когда положение

клапанов не меняется. Из даапрай­мы йИЯКо, что время открытия пере­пускного клапана (положение III) равно 1 сек, а продолжительность шоложекий II и IV устанавливается около 0,5 сек.

Регенератор представляет со­бой цилиндрический сосуд, заполнен­ный насадкой. На холодном конце регенератор заканчивается обычно сферичеоким днищем, к которому прикреплена клаланная коробка. На теплом конце регенератора преду­смотрена съемная крышка, в которой для уплотнения насадки установле­ны нажимные болты.

Насадка регенераторов.низко­температурных установок должна удовлетворять ряду требований: _о а) материал насадки должен обла­

дать достаточной теплоемкостью и теплопроводностью; б) форма насадки должна обеспечить возможно большую поверхность в единице объема и низкое гидравлическое спротивление; в) материал насадки должен быть устойчивым при переменных темпе­ратурах против коррозии и истирания.

В настоящее время в регенераторах применяют три вида насадки Ша садка из алюминиевых лент показана на'рис. 4-П. Каждый эле­мент насадки (галету) изготовляют из двух свернутых спиралью гофрированных

лент шириной 35—оО мм и толщиной 0,2-—0,4 мм. Гофрировка на лентах сделана на­клонной и на каждой из лент наклонена в другую сторону. Высота гофра 2—3 мм

Й ^{шаг 3}~^{6 мм}- Диаметр галеты равен внутреннему диаметру корпуса регенератора.

Для уменьшения теплопередачи 'поперек ленты, при^дящей к дополнительному теп- лапритоку к холодным частям установки, на ленте делают продольные лрорези, как показшо на рисунке.

Галеты укладывают горизонтально в корпусе регенератора. В уложенных одна на. друпую галетах образуются 'изви­листые спиралшые каналы, по которым воздух проходит вдоль регенератора.

Удельный объем сжатого газа при движе­нии к.холодному концу регенератора по мере охлаждения уменьшается. Двигаю­щийся противотоком холодный расширзн- ный газ тшже характеризуется меньшим удельным объемом в нижней части регене­ратора. Это позволяет применять в холодной его части наса'дку с меньнжми высотой я шагом гофра, чем в теплой части, и тем самым увеличить поверхность теплопере­дачи на единицу объема ари уменьшении площади свободного сечения для прохода газов, Такие регенераторы позволяют разместить в 1 м³ аппарата до 2 500.и² поверх­ности теплообмена.

Насадка из камней (насыпная насадка) приценяется в крупных стационарных установках с газовым холодильным циклом, служащих для разделения газовых смесей (гл. 9).

Объем и вес такой насадки на единицу поверхности теплообмена больше, чем V насадки из алюминиевой ленты. Поэтому объем регенератора с насыпной насадкой для того же количества газа примерно в 4 (а диаметр в 2) раза больше. Однако вследствие большей теплоемкости всей массы насадки удаётся увеличить продолжи­тельность цикла до 24 мин. вместо б мин и, следовательно, производить переключения в 4 раза реже—раз в 12 мин вместо трёх. Это позволяет уменьшить потеря воздуха при переключениях регенераторов. Насыпная насадка имеет еще одно важное преиму­щество. В массе такой насадки можно помещать трубки, по которым пропускается

Рис, 4-10. Цикловая диаграмма регенера­торов.

Рис. 4-11. Диск ленточной насадки регенератора.

какой-либо газ, которым нужно нагреть или охладить. Эти трубки благодаря сопри­косновению с насадкой м потоками газов могут быть использованы как теплообменни­ки для непрерывного нагрева.шя или охлаждения проходящих через них чистых газов, которые не загрезняются влагой и углекислым газом и не смешиваются с воздухом, оставшимся в регенера ре после каждого переключения. Недостаток каменной на­садки заключаемая в увеличении времени, необходимого для ее охлаждения до ра­бочих температур при пуске аппарата.

Насадка из тонкой металлической проволоки используется в регенераторах установок, работающих по циклу Стирлинга, и микрохолодильных установках типа Джиффорда Макмагона (см. § 4-6). Проволочная насадка приме­няется как в виде наложенных друг на друга сеток, укладываемых так же. как галеты из ленты, так и в виде колец или дисков из от­резков тонкой проволоки, расположенных без определенного порядка (как волокна в вой­локе). Использование в газовых холодильных установках современных эффективных регене­раторов вместо рекуперативных теплообмен­ников позволило резко снизить потери от гид­равлических сопротивлений и уменьшить не­обходимые температурные напоры.

Рис. 4-12. К. п. д. газовых холодиль­ных установок т] в зависимости от Т₀ при различных к. п. д. компрессора Пк и детандера г)_д.

Рассмотрим, как влияют на вели­чину к. п. д. г| внешние условия рабо­ты и потери в аппаратах и машинах газовой холодильной установки. В за­висимости от типа установки, рабочего тела, совершенства машин и аппара­тов значение г] может изменяться в довольно широких пределах.

На графике рис. 4-12 [JT. 65] показаны кривые зависимости г\ от к. п. д. компрессора т]_к и детандера % для различных температур Т₀ при 7’о.с=300°К. Во всех случаях значение Tin принято такое же, как и %; (Лд^=,Пк⁼Лкд) • Кривые построены для значений л_к= Пд^=кПк_Д от 1,0 до 0,6. Разность температур в регенераторе принята равной 2 град. Та­кое значение АТ вполне достижимо при использовании современных регенераторов. Как видно из графиков, наибольшие значения т\ дости­гаются при сравнительно низких температурах, меньших 100° К. Вели­чины к. п. д. машин резко сказываются на значениях л установки. Уменьшение Лк='Пд с 0,9 до 0,7 уменьшает ц установки примерно в 2 раза. Потери от несовершенства теплообмена в регенераторе также оказывают заметное влияние на величину г] установки, но меньше чем к. п. д. машин.

4-5. СХЕМЫ РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

В оптимальных условиях при достаточно низких значениях Го газо­вые холодильные установки не уступают по эффективности паровым. Возможности их дальнейшего улучшения связаны не только с повы­шением к. п. д. машин и аппаратов, но и с усовершенствованием схем.

Одна из таких усовершенствованных схем воздушной холодильной установки и ее процесс в Г— s-координатах показаны на рис. 4-13.

Основная особенность схемы заключается в том, что она разо­мкнута— каждая порция воздуха не циркулирует в установке, а за бирается из атмосферы (точка 1) и выбрасывается в нее после ком прессора (точка б). Компрессор IV установлен не в начале процесса перед регенератором, а в конце, на выходе воздуха из регенератора, и работает в вакуумном режиме, откачивая воздух из системы при д - лении р<р₀ и сжимая его до атмосферного давления р₀ (процесс о-о\. Воздух поступает из атмосферы в регенератор /, где охлаждаете *

в результате теплообмена с обратным вакуумным потоком, ^п°сл поступает в холодильную камеру II. Здесь он нагревается до з»

• Установка разработана коллективом под руководством Н. Дубинского, В. Мар­тыновского и С. Туманского [Л. 70].

Рис. 4-13. Схема воздушной холо­дильной установки с разомкнутым процессом.

/ — регенеративный теплообменник; оя условно заштрихован, -чтобы показать, что фактически имеются два переключающих­ся аппарата; II — холодильная камера, til — турбодатакдер; IV — турбокомирессор.

Рис. 4-14, Схема и процесс работы газовой

холодильной установки в Т—5-диаграмме.

в — принципиальная схема; б — процесс в T-s- днаграмма; /—компрессор; 11— регенератор; III — турбодетандер; IV— холодильная камера.

рая от охлаждаемого объекта количество тепла Q₀- Затем, расширяясь в тур б одета н дере до давления р<р₀, он снова охлаждается до Г₄ и отсасывается компрессором через регенератор, нагреваясь и удаляя примеси с насадки регенератора. Сжатый в компрессоре IV воздух на­гревается при сжатии до температуры Г₆ к выбрасывается в атмосферу. Таким образом, энергия выводится из системы не в виде тепла, пере­

даваемого вторичному агенту, а с потоком горячего газа '(точ­ка б).

Главное преимущество такой схемы по сравнению с классиче­ской (рис. 4-8) заключается в от­сутствии охладителя и нагревате­ля — больших и громоздких апла-

ратов, имеющих к тому же большое гидравлическое сопротивление. Установка становится не только проще, так как состоит из двух машин и одного теплообменного аппарата-регенератора, но и лучше по энер­гетическим показателям. При использовании горячего воздуха для на­гревания такая установка может работать по комбинированной схеме, выполняя одновременно роль холодильной машины и теплового насоса.

Таким же преимуществом обладает и воздушная холодильная уста­новка [Л. 70], разработанная Н. Н. Кошкиным (рис. 4-14,а). Все про­цессы в ней протекают при давлениях выше атмосферного.

Основное отличие установки, предложенной Н. Н. Кошкиным, от классической регенеративной установки состоит в том, что сжатый воз­дух непосредственно из компрессора I поступает в один из регенерата- ров II. Концевой охладитель компрессора отсутствует, и на входе в регенератор сжатый газ имеет высокую температуру Т% (или, если сжатие производится с промежуточным охлаждением, Т'₂<Т₂). Соот­ветственно и выходящий из регенератора расширенный воздух имеет высокую температуру Т$, меньшую, чем Ts, на величину Д7 разности температур на теплом конце регенераторов (или Т'₆<Т'₂, если имеется промежуточное охлаждение). Роль концевого охладителя играет здесь верхняя часть регенератора, расположенная выше сечения с тем­пературой Т_ох. Тепло, отнятое у сжатого воздуха на этом участке, пере­дается расширенному воздуху. Такая схема процесса имеет следующие преимущества перед схемой с использованием охладителей.

1. Гидравлические потери в регенераторе, а также размеры и стои­мость его намного меньше, чем охладителя.

Рис. 4-15. Схемы воздушных холо­дильных агрегатов для охлаждения кабины самолета.

a — процесс с регенерацией; б — процесс без регенерации с использованием в ка­честве охлаждающей среды жидкого топ­лива; /— приемный патрубок; II— реге­неративный теплообменник; /// — турбина (турбодетандер); IV— холодильник; V — компрессор: VI — выпускной патрубок;

VII, VIII — воздушно-топливный теплооб­менник.

2. Горячий воздух после установки может быть в некоторых слу-

_цлях использован (или Bbl6DOIIIPH н ж ч ^Ht-^KUJ°P^blx '-^J|y

В охлаждающей воде отпадает атмосферу); необходимость

Эффективные схемы воздушных холодильных установок с эазомкнутым nDOuec-

спм широко используются в авиации Две схемы разомкнутым процес

кабины самолета приведены на рис. 4-15^ ^Х У^{станово}“ охлаждения

Сжатый воздух, необходимый для работы установки, отбирается либо от компрессора турбореактивного двигателя (ТРД), либо не­посредственно из атмосферы через патрубок, в котором затормаживается встречный поток воздуха, что вызывает соответствующее повы­шение давления.

В первой из установок а сжатый воздух из приемного патрубка I проходит в регене­ративный теплообменник //, где охлаждается расширенным воздухом и после расширения _в турбодетандере /// с отдачей внешней рабо­ты L_a используется как хладоагент в нагре­вателе IV для отвода из кабины самолета тепла Qo■ После регенеративного теплообмен­ника воздух сжимается в компрессоре-тормо­_зе V, работающем за счет энергии турбоде­тандера, и выбрасывается в атмосферу через сопло VI. Такая система позволяет наиболее просто использовать работу турбодетандера.

Реакция струи, выходящей из сопла VI в на­правлении, противоположном движению само­лета, позволяет частично компенсировать по­тери, связанные с торможением встречного потока в сопле 1.

Установка б отличается от установки a тем, что регенерация в ней отсутствует. Дополнительное поджатие воздуха осущест­вляется в компрессоре V до поступления в турбодетандер. В процессе участвует в ка­честве охлаждающей среды жидкое топливо, которое после подогрева в теплообмен­никах VII, VIII поступает в камеру сгорания двигателя.

Турбодетандер и компрессор-тормоз в авиационных установках изготовляются обычно в виде одного агрегата. Большое число оборотов таких турбин (80—100 тыс. оборотов и более в минуту) позволяет сделать их очень компактными и легкими.

Воздушные холодильные установки используются также для обработки хо­лодом при температурах от —80° С и ниже (до —150° С) металлов и различ­ных материалов и продуктов. При использовании в качестве рабочего тела других газов с низкими температурами ожижения—водорода, неона и гелия газовые установки применяются и при более низких температурах.

Рассмотрим в качестве примера га­зовой холодильной установки гелиевую установку, предназначенную для термо- статирования, т. е. поддержания посто­янной температуры жидкого водорода при температурах от 20 до 15° К путем отвода от него притекающего извне тепла.

Технологическая схема установки и

Рис. 4-16. Схема гелиевой холодильной установки (а) и изображение процесса на диаграмме i—e (б).

изображение процесса в координатах е—i даны на рис. 4-16. Гелий, сжатый в компрессоре / до давления р\ и охлаж­денный в концевом охладителе II до "сходной температуры (точка 2), поступает в регенеративный теплообменник III, где охлаждается идущим противотоком расширенным газом. В точке 3 часть газа отводит­ся на детандер IV и после расширения и охлаждения присоединяется к обратному потоку в точке 4. Остальной гелий, охлажденный до температуры Т&, поступает в де­тандер V, где расширяется до промежуточного давления р₂.

Дата добавления: 2014-01-07