§13. Ожижительные циклы Гейландта, Клода, Капицы.

Это циклы высокого, среднего, низкого давления с использованием детандеров для расширения газа и частичного возврата работы. При использовании детандеров необходимо поддерживать определенное давление сжатия и температуру газа перед детандером. Для каждого давления сжатия существует определенная температура, которая обеспечивает максимальный эксергетический КПД установки. Чем выше давление сжатия, тем выше температура сжатия перед детандером. Пример для воздуха: Р=4МПа => Т=191К; Р=20МПа => Т=Токр.сред.

Цикл высокого давления был предложен Гейлондтом в начале ХХ века. Применение высокого давления позволило использовать детандеры без теплоизоляции.

Цикл Капицы (низкого давления) разработан для давления сжатия 0,6 МПа (детандер с теплоизоляцией). Понижать температуру перед детандером можно до тех пор, чтобы после расширения, газ находился в состоянии сухого насыщенного пара.

Использование низкого давления позволило Капице применить в цикле сжатия турбомашины. Капица впервые разработал турбокомпрессор и турбодетандер с высоким адиабатным КПД=0,8 - 0,9, турбодетандер работал в области близкой к кривой насыщения.

Переход на низкое давление позволило Капице использовать в цикле вместо рекуператора регенератор, что позволило совместно с охлаждением газа проводить очистку и осушку газа от конденсирующихся примесей (Н2О, СО2).

§14. Цикл Гейландта. Т-s – диаграмма.

1 - 2 – изотермическое сжатие в компрессоре до Р2=20МПа. После сжатия поток раздваивается: часть потока m в количестве 60% направляется в детандер. 7 - 8 часть газа расширяется и вводится в обратный поток. Оставшаяся часть газа в количестве (1 – m) охлаждается в регенеративном теплообменнике РТ1 в процессе 2 - 9. Далее поток остывает в РТ2 (9-8), дросселируется 3 - 4, поступает в отделитель жидкости, где делится на т.5 и т.6 и в виде обратного потока в количестве (1 - m - y) нагревается в РТ2, смешивается с потоком m и становится потоком (1 - y). Далее поток с параметрами т.1’ покидает цикл.

В реальном процессе в качестве отделителя жидкости выступает ректификационная колонна.

§15. Цикл Капицы. Т-s-диаграмма.

Воздух сжимается в процессе 1-2 до Р=0,6МПа. После чего поступает в РТ1, охлаждается и с параметрами т.7 разделяется на 2 потока. На детандер идет 90%, а остальная часть охлаждается в РТ2, дросселируется в процессе 3-4 и поступает в охладитель жидкости (ОЖ). Обратный поток проходит по 6-9-1’, нагревается и выходит с параметрами т. 1’. В реальном процессе выбрасывается азот.

Достоинства:

- в цикле используется меньшая степень повышения давления, что приводит к меньшей удельной металлоемкости оборудования.

- перерабатываются большие объемы воздуха в количестве более 100000м³/ч.

- цикл отличается высокой производительностью.

Недостатки:

- большие теплопритоки через изоляцию, т.к. большая часть оборудования работает при низких температурах.

- установка отличается невысоким удельным выходом жидкого продукта по отношению к сжатому.

- высокие удельные затраты на единицу ожиженного продукта.

Цикл Клода.

Он занимает промежуточное положение между циклом Гейландта и Капицы. Этот цикл среднего давления 6,0МПа.

На долю выхода y во всех схемах влияет величина потока m, отправленного на детандирование. С ростом величины m выход жидкого y растет, а затем уменьшается. Этот процесс объясняется влиянием ряда факторов на процесс дросселирования. При росте m растет энтальпия перед дросселированием в т.3. Связь между h прямого и обратного потоков – нелинейная, а именно при увеличении m, h прямого потока сперва меняется резко, а потом не изменяется вообще и не зависит от расхода. Доля выхода жидкого y напрямую связана с холодопроизводительностью процесса дросселирования. Сам процесс детандирования связан с оптимальным расходом на детандирование. Если расход вырастает выше оптимального, то меняется соотношение расходов прямого и обратного потоков так, что вырастает величина недорекуперации на тепловом конце теплообменника, что приводит к снижению жидкого y.

Чем меньше разница температур между прямым и обратным потоком, тем выше эффект теплообмена и ниже энергетические потери в цикле.

Сравним между собой три ожижительных цикла.

Цикл	Рсж,МПа	М	Y,%	Тв перед детандером	Удельные затраты энерг, кВт·ч\кг	Эксергет. КПД установки
Г	20	0,6	26	293	0,76	0,26
КЛ	6	0,75	18	213	0,83	0,24
КАП	0,6	0,9	6	113	1,4	0,14

Несмотря на худшие энергетические показатели – цикл Капицы получил развитие для крупных установок из – за большой производительности.