Способ охлаждения воздуха Советский патент 1982 года по МПК F25J3/02 

(54) СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано при проектировании новьох и модернизации действующих воздухоразделительных установок.

Известен способ охлаждения воздуха в воздухоразделительных установках, по которому воздух, сжатый до 0,7-0,75 НПа в турбокогдарессоре, охлаждают в холодильниках водой до температуры 300-320 К, а затем в установке азотно-водяного -охлаждения до 288-295 К и в регенераторах газами обратного потока до температуры 102-104 К 1.

Недостатком этого способа является усложнение установок разделения воздуха, в схемы которых .включены установки азотно-водяного охлаждения, состоящие из воздушно-водяных и азотно-водяных скрубберов, насосов для подачи воды, переключающихся трехходовых азотных клапанов, регуляторов подачи воды, КИП и автоматики. К недостаткам этого способа относятся и большие гидравлические сопротивления на потоках воздуха и азота, которые увеличивают расход энергии на сжатие воздуха на 3-4%.

Известен способ охлаждения возду ха в воздухоразделительной установке, включающий регенеративный теплообмен сжатого воздуха в противоточных теплообменниках, осуществляемый путем чередования периодов охлаждения ежа-, того воздуха и нагревания газа обратного потока, подачу воды в теплообменники и ее испарение 2J.

10

К недостаткам известного способа относятся:

сложность устройства для его осуществления, состоящего из предварительного теплообменника, двух влаго15отделителей и противоточных теплообменников, например регенераторов,

дополнительные затраты ,энергии на преодоление гидравлических сопротивлений, создава:емызс предварительными теплообменниками и влагоотделителями по прямому и обратному потокам, которые увеличивают удельный расход энергии на сжатие воздуха на 0,5-1%;

низкое производство жидких продук25тов разделения воздуха ввиду разнос-/ ти температур увеличивающейся при охлаждении воздуха. Увеличение разности температур между воздухом и газами обратного потока объясняется

30 тем, что и теплоемкость сжатого воздуха (на 0,8-1,5%) и его расход (на 1,5-3% ввиду утечек и получения жид ких продуктов) выше аналогичных параметров газа обратного потока. Целью изобретения является сниже ние затрат энергии на охлаящение и увеличение производства продуктов разделения воздуха. Указанная цель достигается тем, что согласно способу охлаждения воз духа в воздухоразделительной уставо . не, включающему регенеративншЧ тепл (Обмен сжатого воздуха в противоточных теплообменниках, осуществляемый путем чередования периодов охлажден сжатого воздуха и нагреваний газа обратного потока/ подачу воды в теп лообменники и ее испарение, воду испаряют при температуре выше 220 К. Кроме того, воду подают в теплообменник периодически в моменты смены периода охлаждения сжатого воздуха на период нагрева газа обратного потока, а также тем, что во ду подают в теплообменники в твердо фазе. За счет испарения воды газами обратного потока в интервале тег/ператур вы1йе 220(220-290 к) увеличива ют их обобщенную теплоёмкость, под которой понимают теплоемкость сухог газа, сложенную с количеством тепла расходуемого на испарение воды при насыщении газа в процессе его нагре вания на 1 К.Обобщенная теплоемкост при температуре 220 К превышает теп лоемкость сухого газа на 0,5%, при 240 К - на 5%, а при 280 К боле чем в 2 раза. Учитывая, что теплоемкость сухого сжатого воздуха при его охлаждении от 290 до 220 К на 0,8-1,5%, а его расход - на 1,5-3% выше расхода газа обратного потока, то при работе противоточных теплообменников без дополнительного увлажнения газа обратного потока, разность температур между им и воздухом увеличивает ся с 3-3,5 К на входу воздуха до 5-5,5 К в сечении теплообменника с теглпературой обратного потока 220 К. Лри охлаждении воздуха с дополнительным увлажнением газа обратного потока разность температур снижают до 2-2,5 К за счет охлаждения воздуха до температуры на 3-4 К более низкой, чем без дополнительного увлажнения обратного потока. Например, в сечении теплообменника с температурой обратного потока 220 К за счет увлажнения газа обратного потока температуру воздуха снижают с 225 К до 222 К. Дополнительное охлаждение сжатого воздуха равноценно получению дополнительного холода в теплообменниках В количестве 3,55 Кдж/м воздуха. За счет этого холода с воздухоразделительных установок на каждые 100 м охлаждаемого воздуха получают по 0,6-1 кг жидкого азота. Меньшее значение относится к установкам с малой долей детандерного потока (10-15%), а большее к установкам с детандерным потоком, равным 24-30% от количества разделяемого воздуха, используя холод, вырабатываемый в противоточных тепло - обменниках, можно путем замены, примерно 1/3 детандерного потока, на- . правляемым в верхние колонны воздухом, сжатым до 0,13-а,15 МПа на 5-7% снизить удельный расход энергии на производство кислорода, а при уменьшении доли детандерного потока увеличить извлечение из воздуха кислорода и аргона. Предложенный способ наиболее просто осуществляется при использовании для охлаждения воздуха регенераторов. В этих аппаратах температура .насадки изменяется на 50-100 К за один полу- цикл. Для того, чтобы обеспечить испарение дополнительно введенной воды при температурах ниже 273 К ее вводят в регенераторы в конце периода теплого - начале периода холодного дутья, либо при переключении регенераторов с прямого потока на обратный. Этим и обеспечивается испарение воды при температурах ниже 273 К, В нереверсивные теплообменники воду надо вводить в виде снега. При этом используется теплота ее сублимации, а место ввода можно выбрать в любом сечении теплообменника. На чертеже схематично изображена установка для осуществления предложенного способа. Установка включает турбокомпрессор 1, охладитель 2 воздуха, теплообменники 3 и 4, адсорбер 5, блок 6 разделения, бак 7 для воды, насос 8, регулятор 9 расхода воды и форсунки 10. Способ осуществляется следу1одим образом. Атмосферный воздух сжимают в компрессоре- i до давления 0,6-0,65 МПа, охлаждают в холодильнике 2 до температуры 300-320 К, а затем в теплообменнике 3 до 101-103 К, осушают и очищают от примесей. При охлаждении воздуха насадка нагревается и на ней накапливается примеси воздуха. Из теплообменников воздух большей частью подают в блок 6, а 10-12% воздуха при средней температуре 140145 К отбирают в .адсорберы 5, очищают от примесей и направляют также в блок 6 разделений. В блоке разделения 12-25% воздуха расширяют в турбодетандерах, а затем весь воздух разделяют на кислород и азот, которые пропускают через теплообменники под давлением 0,11-0,13 МПа, охлаждая и очищая ими насадку от

накопившихся примесей воздуха. В начале периода обратного дутья в сечение теплообменника с температурой 270-275 К подают мелко распыленную форсунками 10 воду, количество и время подачи которой автоматически регулируют устройством 9. Мелкодисперсные частицы воды, поступаюьше в поток газа и на насадку частично испаряются, насыщая и охлаждая газ и насадку. Большей частью мелкие брызги воды высаживаются на насадке и накапливаются на ней в виде снега или пленки воды. По мере охлаждения насадки вода замерзает, но ее испар ние и -охлаждение за счет этого газа обратного потока продолжается и при температурах 200-273 К. За счет скрытой теплоты испарения воды обобгденная теплоемкость обратного потока

в интервале температур 225-245 К увеличивается на 1-5%, а при температурах 260-280 К в 1,4-2 раза. В таблице показано изменение теплоемкости сухого азота и его обобщенной теплоемкости при насыщении парами воды на 90%. Давление азота принято равным 0,105 МПа. За счет испарения дополнительно введенной пара разность между температурой воздуха и газа

обратного потока понижают с 3-3,5 К на входу воздуха в теплообменник до 1,5-2 К при температуре насадки 220230 К. Для подачи воды в холодные зоны насадки тепло рбменника ее вводят через форсунки 10 в конце периода охлаждения воздуха,В таблице приведены теплоемкость сухого и насыщенного потока в зависимости от температуры. .

Теплоемкостьсухого азота, к№ 1,011 1,009 1,008 кг 1,013 Обобщенная теплоемкостьазота, кДж кг 1,019 1,032 1,15

100% 100,6, 102 105

За счет испарения воды при температурах 252-300 К скорость охлаждения насадки увеличивается в 1,1-3 рза. А так как испарение воды осуществляют в начале периода холодного дутья, то гидравлическое сопротивление теплообменников быстро снижается, что экономит энергию на сжатие воздуха. Теплообменники на прямом и обратном потоках работают по 3-4 мин после чего меняются местами Кислородные теплообменники работают аналогично и поэтому на схеме установки не показаны.

ifcnonbsoBaHHe изобретения позволяет ;

исключить из схем воздухоразделительны1с установок аппараты и машины для предварительного охлаждения воздуха;

205 208 411

138

156

114

в 1,5-2 раза увеличить производство продуктов разделения воздуха, вырабатываемых на установках низкого давления, либо на 6-8% снизить удельный расход энергии на получени газообразных продуктов разделения воздуха и увеличить их выработку;

увеличить продолжительность .рабочих кампаний за счет уменьшения

55 условий незабиваемости теплообменников и уменьшить габаритные раз- . меры газовых адсорберов.

60

Формула и 3 обре тен ия.

лообменниках, осуществляеьолй путем чередования периодов охлаждения сжатого воздуха и нагревания газа обратного потока, подачу воды в теплообменники и ее испарение, о т личаюо1ийся тем, что, с целью снижения затрат энергии на охлаждение и увеличение производства продуктов разделения воздуха, воду испаряют при температурах выше 220 К

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Авторское свидетельство СССР №349867, кл. F 25 J 1/00, 1970.