Будневич С.С. Процессы глубокого охлаждения

Подождите немного. Документ загружается.

тери. Если холодильный цикл выбран достаточно совершенным,

то можно ожидать увеличения эффективности процесса ожижения.

На рис. 2. 19 показана принципиальная схема процесса ожижения

газа, предварительно расширенного в де-

тандере. Ожижаемый газ сжимается в смеси с рабочими

телами детандерного и дроссельного холодильных циклов в ком-

прессоре / до давления р^ (процесс 1-2). Затем он дожимается

в компрессоре II до давления р (процесс 2-3) и расширяется в де-

тандере IV (процесс 3-4). После этого от ожижаемого газа при

постоянном давлении отнимается тепло в процессе 4-7 за счет

холодопроизводительности регенеративного детандерного цикла

низкого давления 1-2-5-6-9-1. Наконец, за счет холодопроизводи-

тельности соединенного дроссельно-детандерного цикла проис-

ходит его охлаждение в процессе 7-0.

Определим основные количественные соотношения в этом про-

цессе ожижения. Удельное количество газа, циркулирующего

в дроссельно-детандерном соединенном цикле,

= —^^ . (2.73)

•^"Р

—

1-,

кг ож. г ^ '

Удельное количество газа, циркулирующего в детандерном цикле,

^ ('4 -

Ч)

+ [('2 -

Ч)

- ('1 - 'б) + 4" + Удр '<г

0-1 - '2) + ('5 - Ч) - С -

(2. 74)

Здесь Срт АГ"^ — потери холода от недорекуперации в регене-

ративном детандерном цикле;

фс ^ дЪд — удельные потери холода в окружающую среду

в дроссельном соединенном и детандерном

циклах.

Расход энергии на ожижение газа

То. с

(51

- 5з) -

(«1

- /з) + {увр + уд) X

;; Уд -

«б)

Цм

д г __ квт-ч

— 860 кг ож. г '

(2. 75)

Вариантом рассматриваемого случая является охлаждение

ожижаемого газа перед д;етандером с помощью холодильной ма-

шины (рис. 2. 20). От предыдущего процесса данный отличается

тем, что на участке 3-3' тепло отводится паровой машиной.

Основные данные, характеризующие процесс ожижения воздуха

в данном случае, приведены в табл. 2. 10. При расчетах принято

Ро = 1 ата, рщ =

ата, р = 200 ата,

Тд, ^

= 300° К, м =

= 228° К, Цад.в = 0.75, Цад.н = 0.82. Учитывалось сопротивление

до турбодетандера 0,5 атм и после него 0,3 атм. Холодопотери

101

не учитываются. Расход энергии на 1 кг ожижаемого газа в цикле

без холодильной машины составляет 0,708 квт-ч, а с холодиль-

ной машиной 0,637 квт-ч против соответствующего расхода энер-

гии в цикле Гейландта 0,765 квт-ч.

При анализе цикла ожижения Капицы мы видели, что излиш-

ний расход энергии по сравнению с теоретическим в основном

связан с необратимыми потерями, имеющими место при охлажде-

нии ожижаемого газа с помощью детандерного цикла. Большая

Рис. 2. 19. Ожижение газа, сжатого до

высокого давления и расширенного в

детандере

Рис. 2. 20. Ожижение газа, сжатого до

высокого давления, охлажденного паро-

вой холодильной машиной и расширен-

ного в детандере

доля необратимых потерь падает при этом на несовершенство

использования холодопроизводительности детандерного цикла.

Последнее объясняется необходимостью на значительном участке

охлаждения газа отводить тепло при большом перепаде темпера-

тур. Названные потери можно уменьшить, если вести охлаждение

Таблица 2. 10

Основные данные, характеризующие процесс ожижения воздуха,

предварительно расширенного в детандере

Цикл ожижения

Уд Удр

У1/1.4

АЬд

Цикл ожижения

кг/кг ж. в

квт-ч/кг ж. в /

Без паровой холодильной машины

(рис. 2. 19)

8,25

0,044 0,176 0,521

0,011 0,708

С паровой холодильной машиной

(рис. 2. 20)

6,60

0,044

0,210

0,417

0,010 0,637

102

сжатого газа с помощью нескольких детандерных циклов, создаю-

щих холодопроизводительность на разных температурных уров-

нях. Практически, кроме основного детандерного цикла, при

ожижении воздуха целесообразно вводить еще только один

детандерный цикл. На рис. 2. 21 показана схема такого процесса

ожижения. Определим расход энергии при ожижении воздуха,

которое осуществляется в следующих условиях: ро = 1 агпа,

= 6 ата, Ла^, =

Цад^

= 0,82, То,

= 300° К. Первый турбоде-

тандер расширяет воздух, имею-

щий начальную температуру

203° К- После второго турбоде-

тандера получается сухой насы-

щенный пар. Учитываем сопро-

тивление до турбодетандеров

0,5 атм и после турбодетанде-

ров 0,3 атм. Потери холода не

учитываем. Рассматривается

предельный возможный слу-

чай, когда температурные кри-

вые касаются. В табл. 2. 11

приведены основные результаты

расчетов. Наиболее важным па-

раметром является расход энер-

гии на ожижение воздуха. Он

составляет гна 1 кг жидкого

воздуха 0,794 квт-ч против

0,936 квт-ч при ожижении с

использованием одного детан-

дерного цикла на самом низком температурном уровне.

Рассмотрим теперь процесс ожижения газа при высоком давле-

нии с помощью детандерных циклов высокого и низкого давления.

Такой процесс назван [3,4] совмещенным детандерным циклом

для ожижения газа. При рассмотрении газовых холодильных

циклов в гл. 1 мы видели, что наиболее эффективным из циклов

без регенерации является детандерный цикл высокого давления.

Одновременно мы установили, что регенеративный детандерный

цикл низкого давления является термодинамически еще более

Рис. 2. 21. Ожижение газа при низком

давлении с помощью двух детандерных

циклов

Таблица

Основные данные, характеризующие процесс ожижения воздуха

при низком давлении с помощью двух детандерных циклов

на разных температурных уровнях (рис. 2. 20)

2. 11

Уд^ Уд^ Удр

кг! кг ^

квт-н/кг ж. в

2,66

8,63

0,044

0,149 0,546

0,0206 0,0713

0,794

103

эффективным. Его термодинамический к. п. д. почти в два раза

превосходит термодинамический к. п. д. детандерного цикла вы-

сокого давления. Исходя из целесообразного использования на-

званных двух детандерных циклов, можно осуществить процесс

ожижения газа, отнимая тепло от предварительно сжатого газа

с помощью детандерного цикла высокого давления, а затем на

низком температурном уровне с помощью детандерного регенера-

тивного цикла низкого давления. На рис. 2. 22 показана прин-

ципиальная схема такого процесса ожижения. Ожижению подвер-

<0.0 о/

Рис. 2. 22. Ожижение газа с помощью дроссельного

цикла, соединенного с детандерными циклами высо-

кого и низкого давления

гается предварительно сжатый до высокого давления р (точка 3)

газ. Отвод тепла от ожижаемого газа на участке 3-7 производится

с помощью детандерного цикла высокого давления 1-3-4-1.

На участке 7-8 тепло от газа отводится с помощью детандерного

цикла низкого давления 1-2-5-6-10-1. Охлаждение газа в процессе

8-0 осуществляется за счет холодонроизводительности дроссель-

ного цикла высокого давления, эффективность которого повышена

с помощью детандерных циклов.

Вариантом рассматриваемого случая ожижения является

процесс, в котором детандерный цикл высокого давления осуществ-

ляется между давлениями р и р^. Если исходить из ожижения

воздуха, то, используя одноступенчатый поршневой детандер, прак-

тически можно расширить воздух от 200 до 6—10 ата. Испо.тьзо-

вание всего перепада давлений от 200 до 1 ата потребовало бы

включить за детандером высокого давления расширительной ма-

шины низкого давления, например турбодетандера, в котором

воздух расширяется до давления, близкого к атмосферному.

Поэтому представляет интерес рассмотрение указанного выше

104

случая, когда установлен одноступенчатый поршневой детандер,

работающий между давлениями 200 и 6 ата. На рис. 2. 23 показан

такой процесс ожижения в энтропийной диаграмме. Ожижению

подвергается газ, предварительно сжатый до высокого давления р.

Отвод тепла от ожижаемого газа на участке 3-7 производится

с помощью детандерного цикла высокого давления 2-3-4-2. Даль-

нейший отвод тепла от ожижаемого газа на участке 7-8 произво-

дится детандерным циклом низкого давления 1-2-5-6-10-1. Наконец,

охлаждение газа в процессе 8-0 произво-

дится с помощью дроссельного цикла вы-

сокого давления, соединенного с детандер-

ными.

Рассмотрим конкретный процесс ожи-

жения воздуха, осуществляемого при вы-

соком давлении с помощью детандерных

циклов высокого и низкого давления при

следующих условиях: ро — 1 ата, р,„ =

= 6 ата, р=200 ата, Тос=Ш° К,

У\ад.в

= 0,75, Цад.н = 0.82, = 1,0. Холодо-

нотери не учитываются. Сопротивление

до турбодетандера 0,5 атм, а за маши-

ной 0,3 атм. Основные расчетные данные

приведены в табл. 2. 12. Из таблицы видно,

что использование детандерного цикла

высокого и детандерного цикла низкого

давления для отвода тепла при ожижении

газа дает заметный энергетический эф-

фект. Расход энергии на 1 кг ожижаемого воздуха уменьшается

до 0,713 квт-ч против 0,765 квт-ч в цикле Гейландта. Из дан-

ных табл. 2. 12 также видно, что осуществление детандерного

5 5

Рис. 2. 23. Процессы ожи-

жения газа с помощью

дроссельного цикла, сое-

динненого с детандернымн

циклами высокого и низ-

кого давления

Таблица 2. 12

Основные данные, характеризующие процесс сжижения воздуха

при высоком давлении с помощью детандерных циклов

высокого и низкого давления

Цикл ожижения

"д. в

«д.н Удр

^Ч.н : А^с

Цикл ожижения

кг!кг ж. в

квт-ч/кг ж. в

Детандерный высо-

кого давления между

р и р„ (рис. 2. 22)

•. 1,35 3,83

0,0685

0,227 0,244

0,03

0,212 0,713

Детандерный высо-

кого давления между

р и рт (рис. 2. 23)

1,4

5,04

0,044

0,152 0,319 0,01

0,212

0,693

105

цикла высокого давления между давлениями р и целесообраз-

но не только из соображений работы поршневой расширитель-

ной машины, но дает также некоторый энергетический эффект.

2. 7. ОЖИЖЕНИЕ ВОДОРОДА

В последние годы ожижение водорода стало важной областью

техники особо низких температур. Интерес к жидкому водороду

возрос в сильной степени в связи с тем, что он имеет большие

перспективы применения в ракетной технике. Ожижение водорода

как промежуточная стадия используется при извлечении тяжелого

водорода (дейтерия) из природного водорода методом низкотемпе-

ратурной ректификациии. Этот метод является одним из самых

экономичных. Дейтерий является исходным продуктом для полу-

чения тяжелой воды, находящей большое применение в атомной

технике в качестве замедлителя быстрых нейтронов и теплоноси-

теля на атомных электростанциях. В атомной технике жидкий

водород используется в так называемых пузырьковых водородных

камерах для исследования элементарных частиц. Жидкий водород

применяется, и в других областях техники для получения особо

низких температур.

Существуют две молекулярные модификации водорода, раз-

личающиеся ориентацией ядерных спинов: пара- и ортомодифика-

ция. Водород представляет собой смесь орто- и параформ, равно-

весное содержание которых зависит от температуры. При обычных

температурах окружающей среды и более высоких температурах

так называемый нормальный водород представляет собой смесь

из 75°/'о ортоводорода и 25% параводорода, а в жидком равно-

весном состоянии (температура 20,4° К) водород содержит

99,79% параводорода и 0,21% ортоводорода. Переход из орто-

модификации в парамодификацию сопровождается выделением

большого количества тепла конверсии, которое при низких тем-

пературах больше теплоты парообразования. Например, превра-

щение 1 кг нормального водорода в параформу сопровождается

выделением 126 ккал тепла конверсии, а теплота парообразования

водорода при 1 ата равна 107,5 ккал/кг. Следовательно, при таком

превращении жидкий водород нормального состава полностью

испаряется. Самопроизвольная конверсия жидкого водорода, пер-

воначально имеющего нормальный состав, при отсутствии тепло-

притоков извне (идеальная изоляция), согласно расчетам, проте-

кает следующим образом:

Время, ч

Остаток жидкости, % . .

Содержание параводорода в

жидкости, %

Следовательно, переход к равновесному состоянию при низких

температурах происходит очень медленно, Поэтому, если жидкий

106

. 100 250 500

1000 4000

. 57 45 38

35 32

57 76 86

водород используется сразу или по истечении небольшого времени

после его получения, нецелесообразно применять катализаторы

для ускорения процесса конверсии ортоформы в параформу.

Если же жидкий водород используется не сразу и его необхо-

димо хранить, то самопроизвольная конверсия приведет к боль-

шим потерям жидкости. Поэтому процесс конверсии ускоряют

с помощью катализаторов (активированный уголь, никель,

гидроокись железа и др.). При этом выделяюш,ееся тепло конвер-

сии отводят в процессе ожижения водорода, что позволяет полу-

чить парамодификацию, устойчивую при низких температурах.

Производительность ожижителя заметно падает, но зато получаю-

щийся параводород можно длительное время хранить до его

использования.

Ожижение водорода связано со значительными трудностями.

Это объясняется прежде всего низкой критической температурой

водорода Т^р = 33,3° К. Критическое давление водорода равно

12,8 ата. Горизонтальный участок кривой инверсии, где она

совпадает с изотермой, соответствует температуре 204,6° К- Вслед-

ствие этого при обычных температурах окружающей среды процесс

дросселирования водорода сопровождается его нагреванием. Сле-

дует отметить также и другие особенности водорода. Температура

конденсации водорода при 1 ата равна 20,5° К- Удельный вес

жидкого водорода при этом давлении составляет 0,0709 кг1л.

Высокими значениями отличается весовая теплоемкость газооб-

разного На; например, при 1 ата Ср равна 3,408 ккал/кг-град

на уровне температуры 293° К и 2,65 ккал/кг-град на уровне 70° К.

Таким образом, термодинамические свойства водорода таковы,

что холодопроизводительность дроссельного цикла, осуществляе-

мого водородом при температуре окружающей среды, отрица-

тельна (—Аг'гд с < 0)- Чтобы получить положительное значение

холодопроизводительности водородного дроссельного цикла, его

необходимо соединить с таким холодильным циклом, который

создает холодопроизводительность на температурном уровне

заметно ниже температуры инверсии водорода, т. е. ниже

204,6° К. Такого эффекта можно достигнуть с помощью детан-

дерных водородных или гелиевых циклов, а также путем исполь-

зования жидкого азота, получаемого в специальной ожижитель-

ной установке. При этом охлаждение ожижаемого водорода от

температуры окружающей среды до уровня, развиваемого в сое-

диненных с водородом циклах, будет производиться за счет холо-

допроизводительности последних. Только дальнейшее охлаждение

ожижаемого водорода должно осуществляться дроссельным водо-

родным циклом, холодопроизводительность которого получена

за счет соединенного с ним цикла.

Жидкий азот при ожижении водорода принципиально играет

такую же роль, как хладагент паровой холодильной машины, ис-

пользуемой при ожижении воздуха с помощью дроссельного

107

цикла, соединенного с этой машиной. Это позволяет применить

при расчете процесса ожижения водорода ранее полученные со-

отношения (2. 33)—(2. 39а).

При использовании указанных формул должны быть учтены

принятые далее обозначения и некоторые особенности процесса,

о которых будет сказано ниже.

На рис. 2. 24 изображена принципиальная схема ожижения

водорода. В данном случае рабочее тело дроссельного цикла и ожи-

жаемый газ идентичны. Вследствие этого их нет необходимости друг

от друга изолировать. Водород, представляющий собой смесь ожи-

Рис. 2. 24. Ожижение водорода

жаемого газа и рабочего тела дроссельного холодильного цикла,

сжимается в компрессоре / до давления р. Далее этот поток

охлаждается в предварительном теплообменнике (процесс 2-2^),

затем в ванне с жидким азотом III и, наконец, в основном тепло-

обменнике /У(процесс 2'-3). Смесь ожижаемого газа и рабо-

чего тела состояния 3 дросселируется до низкого давления ро

(процесс 3-4). Влажный пар состояния 4 в ожижительном

сосуде V разделяется на насыщенную жидкость состояния О (про-

дукционный жидкий водород) и сухой насыщенный пар состоя-

ния 5. Последний подогревается в основном теплообменнике (в тео-

ретическом случае процесс 5-Г) и в предварительном теплообмен-

нике (процесс /'-/). Перед компрессором к газовому остатку

(водороду дроссельного холодильного цикла) добавляется новый

водород вместо выведенного в жидком виде. Здесь, как и ранее,

все рассуждения будут отнесены к 1 кг ожижаемого водо-

рода.

Переходим к расчету процесса ожижения. Количество водо-

рода, циркулирующего в дроссельном цикле, соединенном

108

с жидким азотом, по аналогии с равенством (2. 35) опреде-

ляется нз уравнения

Н—

'"о

кг \

Вследствие большой теплоемкости водорода перепад темпера-

тур АГ'^ для снижения потерь холода принимается равным 3°.

Удобно внешние теплопритоки относить к 1 кг ожижаемого водо-

рода. Обозначим

= кшл/кг ж. Иг-

Тогда уравнение (2. 76а) перепишется так:

^ + ^^ . (2.766)

кг ж. На ^ '

Согласно опытным данным [12, 18, 26], для ожижителей водо-

рода производительностью от 2 до 10 л/ч с вакуумной изоляцией

и ограждением холодных аппаратов экраном, припаянным к ваине

с жидким азотом, теплопритоки из окружающей среды через

изоляционную конструкцию составляет 1,25 —

1,35 кшл/л ж.Ич (17,5—19,0 ккал/кг ж-Нз). Интересно отметить,

что основной приток тепла имеет место к неэкранированным ме-

стам низкотемпературной аппаратуры лучеиспусканием; он состав-

ляет около 1,0 ккал/л да.На- В то же время приток тепла к заэкра-

нированной низкотемпературной аппаратуре равен всего

0,05 ккал/л ж. Нд. По тепловым мостикам (трубки дроссельного

вертиля, манометрические трубки, трубки указателей уровня)

приток тепла составляет ^0,2 ккал/л ж- На- Величина тепло-

притоков извне при прочих равных условиях в большой мере

зависит от конструктивного выполнения ожижителя.

Необходимость тщательного экранирования низкотемператур-

ной аппаратуры экраном, припаянным к ванне с жидким азотом,

определяется тем, что тепло, проникающее лучеиспусканием из

окружающей среды к неэкранированным поверхностям, примерно

в 250 раз больше, чем к экранированным поверхностям той же

площади. В более крупных ожижителях потери холода по тепло-

вым мостикам и через изоляционные ограждения составляют

в рассматриваемой зоне ожижителя (Г < Гн^) 3—5% холодо-

производительности. Рассмотрим случай получения устойчивой

параформы, когда катализатор помещен в сборник жидкого водо-

рода и вся теплота конверсии отводится при температуре жидкого

водорода. На соединенный дроссельный цикл в этом случае холо-

дильная нагрузка возрастает на величину, равную теплоте кон-

версии. В связи с этим количество водорода, циркулирующего

109

в соединенном дроссельном цикле, повышается и должно опре-

деляться из выражения

+ + ,, •

«г ж. п. • ^^в)

Здесь — тепло конверсии, выделяющееся при переходе 1 кг

нормального водорода в параводород, %

126 клал/кг норм. Нд.

Холодильная нагрузка на жидкий азот складывается из трех

частей:

Слагаемое СоыгЬ представляющее собой тепло, отводимое от сжи-

жаемого водорода при охлаждении его от ^ до Ты,, опреде-

ляется из равенства

'Зоы^! ^ (2. 77)

Холодонроизводительность, вносимая жидким азотом в соединен-

ный дроссельный газовый цикл, С^оы^г равна

<ЗоЫз2 = Ун. [('2 - '2') - {к - Н') - с'Д +

! -

Сн. А711 + ккал/кг ж. И^. (2. 78)

Здесь АТнг — характеризует холодопотери от неполной реку-

перации тепла и принимается равным 5—10°;

— потери холода в окружающую среду в водо-

родном дроссельном -цикле.

Выходящий из аппарата /V (рис. 2. 24) водород низкого давле-

ния с температурой ниже Т^^ (что и определяет потери холода

от неполного теплообмена в соединенном цикле с^тАТ^^), оста-

ваясь внутри блока глубокого охлаждения, поступает в теплооб-

менник //. Там он подогревается, снижая холодильную нагрузку

на жидкий азот. Поэтому 4т АТ'^^ в уравнении (2. 78) вычитается.

Отметим одну особенность уравнения (2. 78). Для этого пере-

пишем его в таком виде:

СОЫ.2 = г/Н, [('V - 12') - ('1 - Ь) - 41АТ"' +

+ Сртн, АТн,+(7г>гм 1 ккал/кг ж. На.

Разность II — 12 = — ^^Тд ^ имеет отрицательное значение, так

как То.с выше температуры инверсии водорода. Следовательно,'в

рассматриваемом случае жидкий азот полностью вносит в водород-

ный дроссельный цикл его холодонроизводительность /г.— 12' =

— —а кроме того, компенсирует отрицательную холодо-

110