Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

5.2. ЭНЕРГЕТИКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ

Введением в технику разделения воздуха колонны двойной ректификации задача полного его разделения на кислород и азот была решена. Однако оставалась вторая задача - снижение расхода энергии в воздухоразделительных установках. Получение 1 л жидкого кислорода требовало затраты электроэнергии не менее 3 кВт·ч, а 1 м³ газообразного - 1,5 кВт·ч (как говорили тогда, 4.1 и 2 "час-лошади" соответственно). Нужно было снизить эти показатели по крайней мере в 2-3 раза. [Теоретические расчеты, которые в то время уже умели делать, показывали, что в идеальном случае расход энергии на получение 1 л жидкого кислорода из воздуха должен составлять около 0,2 кВт·ч, а газообразного – 0,045 кВт·ч/м³. Другими словами, КПД жидкостной установки был 0,2·100/3 = 6,7%, а газовой - 0,045·100/1,5 = 3%. ] Наметили, два пути совершенствования классического дроссельного цикла.

Первый из них, основанный также на дросселировании, развивал сам К. Линде; второй, опиравшийся на введение детандера в технику разделения воздуха, разрабатывал Ж. Клод.

Принципиальная основа как того, так и другого способа, несмотря на их существенное различие, была одна и та же. Ни Линде, ни Клод не осознавали этого в полной мере, думая, что идут принципиально различными, даже противостоящими, путями. Однако с энергетической точки зрения задача и у того, и у другого была одна и та же: ликвидировать (точнее - существенно уменьшить) основной недостаток цикла Линде. Именно этот принципиальный недостаток и приводил в нем к большому расходу энергии. В чем же дело? Посмотрим на схему классического цикла Линде (см. рис. 4.5). Она, как видно из рис. 4.18 и 4.19, входит как составная часть неизменно во все системы ожижения и разделения воздуха. Охлаждение сжатого воздуха в них осуществляется в теплообменнике потоком идущего навстречу расширенного воздуха (или продуктов его разделения - азота и кислорода). Во всех случаях (независимо от конструкции теплообменника - Линде, Хэмпсона и др.) наблюдается одно и то же явление. Сжатый воздух, направляющийся к дросселю, охлаждается на меньшее число градусов, чем нагревается выходящий воздух (или продукты его разделения - кислород и азот). Это наглядно можно показать на графике рис. 5.10. Здесь по оси ординат отложена длина теплообменника l, а по оси абсцисс - температуры потоков в теплообменнике.

Рис. 5.10. График протекания температур прямого (1-2) н обратного (5-4) потоков воздуха в ожижительной установке Линде

Теплый конец теплообменника, как и на схемах, расположен вверху, холодный - внизу. Видно, что в то время как выходящий поток неожиженного воздуха нагревается на 283 – 79 = 204K, сжатый воздух охлаждается только на 293 – 130 = 163K. Аналогичная ситуация складывается и при разделении воздуха, хотя в этом случае разница температур меньше. Такое "недоохлаждение" сжатого воздуха объясняется двумя причинами. Во-первых, количество расширенного воздуха меньше, чем сжатого (часть воздуха отведена в виде жидкости и обратно в теплообменник уже не попадает). Во-вторых, теплоемкость сжатого воздуха намного больше, чем расширенного. Поэтому, отдавая в теплообменнике то же количество тепла, что получает нагревающийся поток, он охлаждается на меньшее число градусов, чем то, на которое тот нагревается. То же происходит и в разделительной установке, выдающей газообразные продукты разделения, но, поскольку жидкость в этом случае не отводится, действует только вторая причина; однако и здесь недоохлаждение прямого потока очень заметно.

Возникает вопрос - а нужно ли по этому поводу так огорчаться? Пускай себе сжатый воздух будет охлаждаться меньше. Чем это плохо?

Оказывается, что именно это "недоохлаждение" сжатого воздуха (или другого газа, если перерабатывается не воздух) и приводит к потерям, вызывающим большой перерасход энергии на привод установки (т.е. на сжатие воздуха). Первая из потерь связана именно с тем, что в теплообменнике теряется "качество", потенциал холода (по табл. 2.1 видно, как он зависит от температуры). Если бы воздух охлаждался в теплообменнике до температур, близких к температурам обратного потока (хотя 6ы до 95-100K), то этой потери почти бы не было. Вторая потеря связана с работой дросселя. Чем ниже температура перед ним, тем эффективнее он работает как охлаждающее устройство и тем большая часть воздуха (или другого газа) в нем ожижается. А температура перед дросселем - это и есть температура после теплообменника.

Таким образом, главный путь совершенствования процесса Линде, в конечном счете, сводился к уменьшению разности температур в теплообменнике в результате снижения температуры охлаждаемого сжатого газа.

Как подошел к решению задачи К. Линде? Он и при этом остался верным своей приверженности к дросселированию как способу охлаждения. Начал он с того, что разработал так называемый "цикл двух давлений воздуха", в котором дросселирование производилось на двух разных потоках и температурных уровнях. Это давало некоторые преимущества в расходе энергии, но усложняло установку. Однако, в конечном счете, Линде пришел к очень простому и логичному решению: он призвал на помощь свое старое, проверенное детище - аммиачную холодильную установку и подключил ее в воздушный дроссельный цикл. Как видно из рис. 5.11, поток сжатого воздуха охлаждался обратным потоком в теплообменнике только выше сечения а-а и ниже сечения b-b. В промежутке производилось дополнительное охлаждение кипящим аммиаком в испарителе холодильной установки. В результате разность температур в холодной нижней части теплообменника (а соответственно и потери) существенно сократилась и температура перед дросселем (в точке 2) намного снизилась.

Дроссель стал работать эффективнее, и доля ожиженного воздуха после него значительно увеличилась. Цель, таким образом, была достигнута: давление сжатого воздуха можно было снизить и затраты энергии на сжатие соответственно уменьшить. Правда, за это пришлось заплатить определенную цену: установка несколько усложнилась и главное — холодильная машина потребовала дополнительного расхода энергии. Однако введение надежной и хорошо отработанной холодильной машины ненамного увеличило стоимость установки (тем более что основной компрессор стал проще и дешевле). Что касается энергии, то ее экономия на воздушном компрессоре намного превзошла расход на аммиачном. В результате расход энергии на получение жидкого воздуха снизился почти в 2 раза по сравнению с простым дроссельным циклом.

Рис. 5.11. График (а) протекания температур прямого (1-2) и обратного (5-4) потоков воздуха в ожижительной установке Линде (б) с дополнительным аммиачным охлаждением

Выпускаемые фирмой Линде установки разделения воздуха с колонной двойной ректификации и дополнительным аммиачным охлаждением нашли широкое распространение и выпускались вплоть до 30-х годов.

Следующая страница: Работа Ж.Клода по ожижению воздуха