Рабочие процессы в машинах и аппаратах криогенных систем протекают в сложных физических условиях. Для многих процессов характерно одновременное существование нескольких необратимых взаимодействий, например, массо- и теплообмена, трения и неравновесного расширения или сжатия, смешения и др. В результате этих необратимых процессов изменяются параметры рабочего тела и в первую очередь температура и энтропия. Изменения этих параметров могут существенно отличаться по абсолютному значению от их изменений в соответствующих идеальных (обратимых) процессах. По результатам численного сравнения изменений указанных параметров в обратимых и необратимых процессах можно судить о мере необратимости и энергетических потерях в любом узле установки.

При анализе рабочих процессов в установках используют принцип аддитивности потерь, являющийся следствием аддитивности энтропии и применяемый в нескольких вариантах. Например, этот принцип использован для многоэлементной криогенной системы, в которой выделены подсистемы — узлы или элементы (теплообменники, ректификационные колонны, детандеры и др.); при этом обусловлено, что для каждого узла определено производство энтропии Δs‘, при осуществлении реального рабочего процесса. Общее производство энтропии в криогенной системе найдено как сумма производства энтропии в ее подсистемах:

Δs`_к.с. = Δs‘₁ + Δs‘₂ + Δs‘₃ + …            (1)

Анализ распределения затрат энергии и энергетических потерь по отдельным элементам низкотемпературных установок осуществляют при условии, чтобы схема установки и её параметры были полностью детерминированы по отдельным узлам и определены все внешние энергетические и массовые потоки.

В установках, в которых рабочее тело функционирует в газообразном (парообразном) и жидком состояниях, рефрижераторные и технологические циклы реализуются с помощью машин сжатия и расширения (компрессоров, вакуумных насосов, жидкостных насосов и детандеров).

При определении энергетических потерь в этих машинах следует учитывать, что их энергетическая эффективность традиционно оценивается с помощью различных КПД. Для компрессорных машин и вакуумных насосов это  изотермический КПД η_из, для детандеров — изоэнтропный (или адиабатный) КПД η_s, для жидкостных насосов — КПД насоса η_Н.

Таким образом, энергетические потери в этих машинах однозначно определяются значениями η_из, η_s и η_Н (которые обычно задают на основе среднестатистических экспериментальных данных) согласно зависимостям:

Δl_K = T₀ Δs_K = K(l_из/η_из – l_из) = Kl_из (1/ η_из -1);

Δl_Д = T₀ Δs_Д = Д(h_s – h_sη_s) = Д h_s (1 – η_s);                           (2)

Δl_H = T₀ Δs_H = H(l_H.T./η_H – l_H.T) = Hl_H.T (1/ η_H -1),

где    l_H.T — теоретическая работа насоса;

К, Д и Н — потоки (расходы) рабочего тела, перерабатываемые в этих машинах, обычно отнесенные к общему потоку рабочего тела через установку.

В качестве этих элементов наиболее часто фигурируют различные теплообменники, конденсаторы, испарители, вентили, смесители, дроссельные устройства, эжекторы, ректификационные колонны, адсорберы, абсорберы и другие аппараты, в которых потоки рабочего тела обмениваются теплотой, энергией, веществом или дросселируются.  

Иногда при расчете бывает достаточно анализа распределения затрат энергии по элементам схемы криогенной установки в долях от работы изотермического сжатия в ее компрессорах, что позволяет строить наглядные диаграммы распределения затрат энергии и энергетических потерь по отдельным узлам и элементам криогенной установки. Следует учитывать, что потери в узлах установки взаимосвязаны, так как при их изменении меняются параметры рабочих процессов.

Критерием термодинамической оптимальности схемы на стадии расчета является минимум энергетических потерь. Сопоставление затрат энергии по элементам установки позволяет определить, какие узлы установки требуют совершенствования. Однако одна лишь картина распределения энергетических потерь не может полностью показать решающее значение для установки параметров отдельных её машин и аппаратов. В связи с этим для процессов генерации холода всякий раз необходимо оценивать коэффициент удельных затрат мощности φ или обратную ему величину — холодильный коэффициент ε, при которых становится очевидной роль η_s . Обычно мощность относят к полезной холодопроизводительности. Если холод вырабатывается для осуществления технологических процессов, необходимо определять удельные затраты энергии на получение продуктов с заданными параметрами. Кроме того, целесообразно оценивать изменение характеристик технологических процессов в зависимости от параметров машин и аппаратов. Например, для ВРУ роль коэффициента η_s особенно велика, так как он влияет на величину детандерного потока, вводимого в верхнюю колонну, и в конечном итоге на коэффициент извлечения компонентов из воздуха.

Таким образом, значение каждого аппарата или машины в криогенной системе сугубо индивидуально, и анализ затрат энергии в установке, дающий отчетливое представление о распределении этих затрат и энергетических потерях в агрегатах установки, не может претендовать ни на что большее, кроме этого в оценке их роли и эффективности.

1. Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Учебник для студентов вузов по специальности «Техника и физика низких температур»: В2т. Т.1. Основы теории и расчета –3 изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1996.-576с.
2. Баррон Р.Ф. Криогенные системы. Пер. с англ.,-2-е изд.-М.: Энергоатомиздат, 1989.-408с.
3. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. –М.: Наука, 1976.-480с.

Все статьи автора «Дзюбенко Олег Леонидович»