ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Использование каскадного охлаждения и регенеративного теплообмена в процессах получения низких температур из "Получение и использование низких температур " Достигнуть желаемой низкой температуры, особенно криогенной, обычно непосредственно не удается ни одним из рассмотренных выше способов, если ее исходное значение находилось на уровне температуры То.с е ружающей среды. При такой высокой стартовой температуре охлаждение или в принципе невозможно (например, адиабатическое размагничивание, дросселирование газов, обладающих при То.с отрицательным дроссель-эффектом), или крайне неэффективно по техникоэкономическим соображениям. Так, если бы мы захотели использовать дросселирование для охлаждения водорода или гелия при начальной температуре Тол, то получили бы обратный эффект, т. е. нагревание этих газов. [c.38] Получение криотемператур при расширении водорода или гелия в детандере от начальной температуры То.с теоретически возможно, но неэффективно по технико-экономическим соображениям, поскольку требует высокого исходного давления, трудно реализуемого на практике. [c.38] Оказывается, выгодно получать низкие температуры чаще всего путем сочетания внутреннего охлаждения с внешним. Целью внешнего охлаждения в этом случае является понижение начальной температуры рабочего тела перед его внутренним охлаждением. [c.38] Вешним охлаждением пользовались еще во времена Лавуазье и Ломоносова, однако по-настоящему широкое применение оно получило благодаря работе швейцарского ученого Р. Пикте. [c.38] На заседании французской академии наук в декабре 1877 г. одновременно с результатами работы Кайете по ожижению кислорода было доложено и об успехах Пикте в этой области. [c.38] Пикте в отличие от французского ученого использовал каскадный способ ожижения кислорода, который состоит в следующем. Сравнительно легко сжижаемый при То.с газ используется в ожиженном состоянии при пониженном давлении, а следовательно (см. 1), и более низкой температуре для охлаждения и конденсации другого газа, который не может быть ожижен при То.с-Этот второй сконденсированный газ аналогичным путем используется для ожижения еще более трудно конденсируемого газа и т. д. [c.39] В своих опытах по ожижению кислорода Пикте использовал для предварительного охлаждения сжатого газа двухкаскадную установку, работающую соответственно на сернистом газе и двуокиси углерода. [c.40] Позже каскадный метод охлаждения был значительно усовершенствован работами Камерлинг-Оннеса п Дьюара. В частности, использовав принцип предварительного каскадного охлаждения, Дьюар в 1898 г. впервые ожижил водород, а Камерлинг-Оннес в 1908 г. впервые ожижил гелий. [c.40] Каскадный способ ожижения газов в сочетании с другими способами широко используется и в настоящее время. Его главное преимущество заключается в простоте и надежности. Эта надежность обусловлена отсутствием (в схемах без детандеров) движущихся деталей, работающих при низких температурах. [c.40] Регенеративный - теплообмен занимает особое место в процессах полз чения низких температур. С его ролью мы уже познакомились при рассмотрении ожижителя Сименса. В этой схеме (см. рис. 7) обратный поток служит для предварительного охлаждения следующих порций газа, постз ающих в детандер. Охлаждение производится в противоточном теплообменнике. Таким образом, начальная температура перед расширением газа в детандере (внутренним охлаждением) может быть понижена вплоть до конденсации прямого потока, что и использовал Ж. Клод в одной из своих первых установок. [c.40] Используя регенеративный теплообмен, К. Линде, как уже упоминалось, построил в 1895 г. первый промышленный ожижитель воздуха, в котором внутреннее охлаждение осуществлялось дросселированием. Схема этой установки показана на рис. 12. Сжатый до давления 20 МПа в компрессоре 1 воздух охлаждается сначала в холодильнике 2 водой, а затем обратным потоком в теплообменнике 3. [c.40] Пусковой период осуществляется следующим образом. Первые порции сжатого в компрессоре воздуха поступают на дроссельный вентиль при температуре окру-я ающей среды То.с- В процессе дросселирования температура воздуха понижается. Однако этого понижения еще недостаточно для ожижения воздуха, и поэтому охлажденный поток целиком -направляется в теплооб- меннйк. Следующие порции воздуха прямого потока, поступающие на дроссельный вентиль, будут уже охлаждены в теплообменнике 3 обратным потоком и при дросселировании охладятся до более низкой температуры и т. д. [c.41] Охлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура прямого потока не снизится до значения, достаточного для того, чтобы при дросселировании образовывалась парожидкостная смесь. После этого начинается накопление жидкости в сборнике 5. [c.41] Сочетанием регенеративного теплообмена с внутренним охлаждением можно технически просто осуществить лроцесс ожижения любого газа. [c.41] Понятно, что регенеративный теплообмен в таких установках был -бы невозможен без осуществления внутреннего охлаждения, поскольку не было бы источника холодного потока, понижающего температуру газа, поступающего на ожижение. Но возможности регенеративного теплообмена также ограничены. Дело в том, что сжатый охлаждаемый газ имеет почти всегда более высокую теплоемкость, чем обратный расширенный (охлаждающий) поток. [c.41] Исключение составляют рабочие тела при 7 37 кр. [c.41] Следовательно, выходящий из теплообменника газ прямого потока будет всегда иметь более высокую температуру, чем входящий в него обратный поток. Другими словами, при регенерации прямой поток не достигает той минимальной температуры, которую имеет обратный поток. Неравенство в изменении температур прямого и обратного потоков увеличивается в еще боль-щей степени при ожижении газов. Действительно, в случае ожижения части прямого потока и вывода из системы продукта в виде жидкости через теплообменник пойдет обратным потоком только оставшаяся неожи-женная часть. При этом гИобр тпр, что наряду с неодинаковыми теплоемкостями потоков приведет к еще большим различиям в АТ. [c.42] Наилучшей иллюстрацией применения способов внутреннего и внешнего охлаждения в реальных установках служит принципиальная схема гелиевого ожижителя, предложенная П. Л. Капицей в 1934 г. Зта схема показана на рис. 13. Гелий, сжатый в компрессоре 1, поступает в теплообменник 2, где охлаждается, отдавая теплоту обратным потокам. Дополнительное охлаждение прямого потока производится в аппарате 3, в котором теплота от прямого потока отводится к кипящему жидкому азоту, подаваемому из отдельно расположенной криогенной системы. [c.43] Вернуться к основной статье