Расчет трехступенчатого цикла с двумя детандерами и предварительным азотным охлаждением. Ожижительный режим

Расчет трехступенчатого цикла с двумя детандерами и предварительным азотным охлаждением.

Схема цикла и изображение процесса на T-S-диаграмме представлены на рис. 157. Арабскими цифрами 1-12 обозначены точки цикла, характеризующие состояние гелия.

Гелий в количестве 1200 , сжатый до 2,5 МПа, охлаждается в предварительном теплообменнике I и азотной ванне II до К. После ванны часть гелия отводится на первую ступень детандера, где расширяется до К. Другая часть охлаждается в теплообменниках III и IV до температуры К и в количестве поступает на детандер второй ступени, где, расширяясь до 0,15 МПа; охлаждается до 10-11 К.

Исходные данные: изоэнтропный к.п.д. детандеров , ; потери холода в окружающую среду в каждой зоне Дж/моль; давление прямого потока МПа; давление обратного потока МПа;

температура перед детандером первой ступени К; температура перед детандером второй ступени К.

Разность температур на теплых концах теплообменников: К; К; К.

Определяем изоэнтропический перепад энтальпий в детандере первой ступени:

Дж/моль, откуда

Дж/моль.

Энтальпия при МПа соответствует температуре К. На основании предварительных расчетов принимаем К.

Вычисляем

Дж/моль.

Определяем

Дж/моль, что соответствует при МПа температуре К.

Ожижительный режим. Для определения количества жидкого гелия, полученного из 1 моля гелия, поступающего в дроссельный теплообменник IV (точка 6 цикла), составляем уравнение теплового баланса IV зоны (см. рис. 157).

;                                                      (VII-10)

моль/моль.

Для определения составляем уравнение теплового баланса III зоны:

;      (VII-11)

моль/моль.

Для определения составим уравнение теплового баланса зоны:

;

(VII-12)

моль/моль.

Чтобы выполнить условие, при котором в компрессор и блок ожижения поступает 1 моль гелия, необходимо найденные по уравнениям (VII-10), (VII-11) и (VII-12) величины умножить на коэффициент .

В результате получим х=0,101 моль/моль; моль/моль; моль/моль.

Для проверки правильности расчета составляется общее уравнение теплового баланса цикла ниже сечения 3-13 (см. рис. 157)

                      (VII-13)

откуда

моль/моль, что обнаруживает хорошее совпадение с перечисленным результатом уравнения (VII-10).

Расход энергии на получение 1 л жидкого гелия при сжатии газа в компрессоре

.

Расход азота определяется из уравнения теплового баланса I зоны

;                     (VII-14)

моль/моль.

кг на кг сжатого гелия.

Расход азота на 1 л жидкого гелия

кг.

Принимая расход энергии на 1 кг жидкого азота с учетом потерь при хранении и транспортировании равным 1,5 , получим, что общий расход энергии на получение 1 л жидкого гелия

.

Рефрижераторный режим. В рефрижераторном режиме по сравнению с ожижительным изменяется только IV зона (см. рис. 157).

Принимаем параметры из таблицы, помещенной на рис. 157.

Для определения составляем уравнение теплового баланса II зоны

;                                             (VII-15)

  моль/моль.

Для определения используем уравнение теплового баланса III зоны

; (VII-16)

моль/моль.

Расход азота определяем по уравнению теплового баланса I зоны

=0,023 моль/моль;

При пересчете на 1 кг гелия получим

 кг/кг.

Холодопроизводительность цикла

Дж/моль.

Для проверки полученных результатов составляем уравнение всего цикла ниже сечения 3-13:

;                               (VII-17)

 Дж/моль.

Расхождение составляет около 3%. Принимаем Дж/моль. При пересчете на 1 кг гелия получим

.

Расход энергии на сжитие 1 кг гелия

.

Суммарный расход энергии на сжатие гелия и охлаждение азотом

.

Удельный расход энергии на производство единицы холода

Вт/Вт.