Спосіб роботи кріогенної повітророзділювальної установки для виробництва рідких кисню або азоту

Спосіб роботи кріогенної повітророзділювальної установки для виробництва рідких кисню або азоту, у якій повітря, що переробляється, стискається в основному компресорі, потім охолоджується, осушається і очищається в блоці підготовки повітря, після чого розділяється на два потоки, перший з яких при проходженні через основний рекуперативний теплообмінник установки охолоджується в ньому другим потоком, що рухається протитечією, охолодженого в результаті проходження через турбодетандер високого тиску повітря, а також потоками газоподібних азоту або кис U 1 3 (сумарний ріст холодупродуктивності циклу з урахуванням росту дросель-ефекту - 10,4%). В установках високого тиску (тиск у циклі 15,0МПа й більш) застосування ДКА забезпечує збільшення холодупродуктивності циклу менш чим на 5%. Настільки великі відмінності в ефективності застосування ДКА, що працюють за звичайною схемою в циклах кріогенних установок, обумовлені різною зміною властивостей повітря в області низьких і високих тисків. Подібне також характерно й для інших газів, наприклад, азоту, природного газу, водню та гелію. Зниження ефективності застосування ДКА при підвищенні тиску в циклі кріогенної установки також обумовлене падінням коефіцієнта корисної дії турбодетандера ДКА через високий ступінь розширення газу. Так, при переході від циклів низького до циклів середнього тиску ступінь розширення в турбодетандері ПРУ збільшується з 5-8 до 10-15, а у випадку циклів високого тиску - до 30 і більш. Відомий спосіб підвищення ефективності розширення повітря в термодинамічних циклах ПРУ високого тиску (див. Герш С.Я. Глубокое охлаждение. Ч. 1. - М: Госзнергоиздат, 1957. - 390с.), згідно з яким для збільшення холодупродуктивності циклу застосовується двоступінчасте розширення повітря у двох послідовно розташованих детандерах. Даний відомий спосіб по технічній сутності найбільш близький заявленої корисної моделі, тобто може використовуватися як прототип. Недолік відомого способу - робота розширення повітря в детандерах корисно не використовується для збільшення їх холодупродуктивності. Цей недолік викликаний тим, що в зазначеному способі передбачається застосування поршневих детандерів. Однак, навіть взявши за основу запропоновану схему й замінивши поршневі детандери детандерами динамічної дії (турбодетандерами), механічно пов'язаними з турбокомпресорами, що дожимають повітря перед кожним турбодетандером, очікуваного результату досягтися не вдасться. У такий спосіб проявляється другий недолік установки-прототипу, обумовлений послідовним включенням щаблів стиснення й розширення. Технічним завданням заявленої корисної моделі є збільшення холодупродуктивності ДКА кріогенних повітрярозділювальних установок, що реалізують переважно термодинамічні цикли середнього й високого тисків, і, тим самим, скорочення питомого енергоспоживання в них. Поставлене технічне завдання вирішується за рахунок того, що в заявленому способі збільшення холодупродуктивності ДКА й, у цілому, повітрярозділювальной установки, досягається шляхом ефективного використання енергії розширення газу для підвищення його тиску перед розширенням. Для цього пропонується розширення газу здійснювати у двох турбодетандерах високого й низького тисків, а енергію розширення газу в обох щаблях турбодетандерів застосувати для дожимання газу в механічно пов'язаному з ним турбокомпресорі перед турбодетандером низького тиску. При так організованім розширенні газу і його дожимання за рахунок роботи розширення забез 57601 4 печується істотний відносний ріст холодупродуктивності ДКА кріогенних повітрярозділювальних установок середнього й високого тисків, здатних з більш низькими енергоспоживаннями робити рідкі кисень або азот. Схема кріогенної повітрярозділювальной установки для виробництва рідких кисню або азоту зображена на кресленні. Зазначена повітрярозділювальна установка працює в такий спосіб. Потік повітря, що переробляється, поданий основним компресором 1, охолоджується, осушається й очищається в блоці попередньої підготовки повітря 2, потім охолоджується в основному рекуперативному теплообміннику 3 і потім ділиться на два потоки. Перший потік направляється на подальше охолодження в теплообмінник 3, після чого він дроселюється в дросельному вентилі 5 і надходить у ректифікаційну колону блоку поділу 4. Другий - подається на розширення в турбодетандер високого тиску 10 детандер-компресорного агрегату 7. Розширення повітря в турбодетандері високого тиску 10 здійснюється до тиску, що трохи перевищує атмосферне, та забезпечує температуру наприкінці процесу розширення 105-115К. Холодний потік повітря низького тиску проходить теплообмінник 3, у результаті чого він нагрівається за рахунок теплообміну з першим потоком практично до температури навколишнього середовища і надходить на стиснення в турбокомпресор 8 ДКА 7. У турбокомпресорі 7 відбувається стиск повітря до тиску 1,2-1,5МПа, після чого стиснене повітря охолоджується в кінцевому холодильнику 6. Далі повітря через теплообмінник 3 надходить у турбодетандер низького тиску 9, де розширюється до тиску в ректифікаційній колоні блоку поділу 4. При цьому температура кінця розширення становить 150-160К. ДКА конструктивно створюється у вигляді одного агрегату, що поєднує турбодетандери низького й високого тисків з турбокомпресором. Турбокомпресор повинен мати, як мінімум, два щаблі стиску (два робочі колеса) через відносно високий розташовуваний ступінь підвищення тиску в ньому, а сам агрегат буде являти собою многовальну машину. Вали-шестірні в ній будуть розташовані на загальній шестірні. Для досягнення високої ефективності така конструкція виявляється більш вигідною, тому що в ній забезпечуються оптимальні швидкості обертання турбодетандерів і турбокомпресора ДКА, а також усуваються строгі обмеження на геометричні розміри, характерні для одновальних ДКА. Наведений приклад застосування заявленого способу збільшення холодупродуктивності кріогенної ПРУ вказує на його універсальність. Область застосування заявленого способу підвищення холодупродуктивності турбодетандерів не обмежується кріогенними установками поділу повітря всіляких схем і масштабів. Він з не меншим успіхом може застосовуватися для підвищення ефективності зріджувальних і рефрижераторних установок різного призначення, установок зрідження природного газу, а також великих низькоте 5 57601 мпературних холодильних установок, що базуються на машинах динамічної дії. При реалізації заявленого способу відбувається збільшення холодупродуктивності термодинамічного циклу кріогенної ПРУ середнього тиску як суми холодупродуктивності турбодетандерів і процесу дроселювання на 34% у порівнянні з установкою, що працює по циклу установки-прототипу, і на Комп’ютерна верстка М. Ломалова 6 15% вище аналогічного показника циклу середнього тиску із ДКА звичайної конструкції. Таким чином, у заявленої кріогенній ПРУ вдається знизити питоме енергоспоживання при виробництві рідких кисню або азоту, наприклад, у режимі одержання рідкого кисню витрати поменшаються з 1,2 до 1,02кВтч/кг. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601