Будневич С.С. Процессы глубокого охлаждения

Подождите немного. Документ загружается.

производительность й — /г = с' получаемую в цикле иа

температурном уровне окружающей среды.

Теплопритокн через изоляционную конструкцию блока глу-

бокого охлаждения в зоне температур Т > Тп^ воспринимаются

как водородным, так и азотным потоками. Но все эти теплопритоки

компенсируются холодом азота.

Часть А^оN2 — это приток тепла из окружающей среды к ки-

пящему жидкому азоту но металлическому экрану, припаянному

к ванне с жидким азотом, который экранирует аппараты блока

глубокого охлаждения с са-

мыми низкими температурами т Р""?

потоков (ниже Ты,)- Этот

приток тепла равен теплу,

проникающему через изоля-

ционную конструкцию (глав-

ным образом, лучеиспуска-

нием) к экрану, за вычетом

тепла, отдаваемого экраном

(также лучеиспусканием)

низкотемпературной аппара-

туре, которую он экранирует.

При определении количества

жидкого азота следует учесть

(рис. 2. 24), что в процессе

ожижения На используется

не только тепло парообразо-

вания азота, по и тепло его перегрева. На рис. 2. 25 в энтро-

пийной диаграмме для азота показано состояние жидкого азота,

поступающего в аппарат III (точка ^ы^) и выходящего из блока

глубокого охлаждения (точка в теоретическом случае); р^^ —

давление в емкости, из которой поступает жидкий азот; Роы^ ^

давление, создаваемое вакуум-насосом, откачивающим пары

азота от аппарата III.

Холодильная нагрузка на азот при учете (2. 77) и (2. 78)

будет равна

(Зон, = {к -

12')

+ УН, [('2 -

12')

{Н

- Н') - с -V

с'',„Из АТ^Н,

+ + ккал1кг ж. Н^. (2. 79)

Следовательно, удельный расход жидкого азота в процессе ожи-

жения водорода составит

('2 - к') + Уи. [('2 - Н') -

('1

- Н') - +

Рис. 2. 25. Процессы использования хо-

лода жидкого азота при ожижении водо-

рода в 5—Г-диаграмме

ртИ

АП

„Зс

Д(3

ОЫз

„ЗНз

(2.80а)

где ДГы^ — перепад температур между потоками сжатого Н, и

отбросного N2, принимается 10—15°;

(^зкг __ удельные потери холода в окружающую среду в цикле

жидкого азота.

Уравнением (2. 80а) для практических расчетов удобнее пользо-

ваться, если теплонритоки извне отнесены к 1 кг ожижаемого

водорода. Обозначим

ЗЫг , , „Зс

тогда

= А^^д ' -I ккал1кг ж. На,

{I, -1,,) + у^^

[{1^

-- - I,.) - с\1 ДГ'V

- — _ . „ • Ц. 806)

В ожижителях водорода лабораторного типа производитель-

ностью 2—10 л/ч с вакуумной изоляцией теплопритоки через изо-

ляционные ограждения и тепловые мостики к аппаратуре, рабо-

тающей при температурах потоков Т >> Т^,, вместе с тенлоприто-

ками по экрану, ограждающему низкотемпературную аппаратуру,

составляют, согласно опытным данным [12, 18, 26], около 150—

170 ккал/м^ поверхности кожуха аппарата. Исходя из того, что

на каждый литр производительности аппарата по жидкому водо-

роду приходится приблизительно 0,2 м^' поверхности кожуха,

можно принимать

+ А^оN2 == 30ч-34 ккал/л ж- На или

420-^-470 ккал/кг ж. На-'

Тепло, отдаваемое лучеиспусканием от экранирующей поверх-

ности к низкотемпературной аппаратуре, уменьшает количество

тепла, передаваемое экраном жидкому азоту. Но оно незначи-

тельно. Удельный расход энергии на получение жидкого водорода

без учета расхода энергии на получение жидкого азота, ис-

пользуемого на вспомогательные нужды, и привод вакуум-насосов,

поддерживающих вакуум в изоляционной конструкции, может

быть определен из уравнения, подобного (2. 39а),

А^ж = (Уч + 1) "" """ > — + яААЬ ^

ж ^г'На ' ' 860т| ж-

ДЗОЗ 1ё

1 д Ромз квт-ч /о' ЯП

«г ж. Н, •

112

Здесь р — коэффициент, учитывающий потери жидкого

азота от испарения;

—расход энергии на получение 1 кг жидкого

азота, поступающего на установку ожижения

водорода;

^^ \1з ~ изотермические к. п. д. водородного компрес-

сора и вакуум-насоса, отсасывающего пары

азота из азотной ванны.

Пример. Определить часовое количество водорода, циркули-

рующего в установке для получения «нормального» жидкого водо-

рода; расход жидкого азота, а также удельный расход энергии

на получение жидкого На- Чтобы получить представление о влия-

нии потерь холода на показатели работы установки, расчет произ-

вести в двух вариантах: а) без учета потерь холода; б) с учетом

потерь холода. Принципиальная схема установки дана на

рис. 2. 24. Расход жидкого азота на вспомогательные нужды

(очистку технического водорода и т. д.) не учитывать. Расход

энергии на получение жидкого азота принять 1,2 кет-ч/кг ж. N2.

Дано и принимается:

Производительность установки, лЫ 10

Давление сжатого водорода, ата 140

Расчетная температура окружающей среды, °К .... 300

Температура сжатого водорода после охлаждения жид-

ким азотом, °К 68

Температура кипения жидкого азота в ванне, °К . • • 65

Давление азота, кипящего в ванне, РоМг, .... 0,18

Температура газообразного водорода низкого давления,

на выходе из основного теплообменника IV 65

на выходе из теплообменника II 290

Температура газообразного вакуумного азота на выходе

из аппарата //, °К 285

Холодопотери в окружающую среду в зоне температур

потоков ' ккал/кг ж. Щ 15

Холодопотери через изоляционные ограждения при

Т > Т^^ и по экрану, ограждающему низкотемпе-

ратурную аппаратуру (Согн^ + ^^оы,)'

ккал/кг ж. и^ 400

Решение. Определяем параметры узловых точек процесса

(табл. 2. 13).

В табл. 2. 14 приведены сводные данные результатов расчета

процесса ожижения с учетом и без учета холодопотерь. Анализ

данных табл. 2. 14 показывает, что удельный расход энергии на

ожижение водорода при учете потерь холода возрастает по срав-

нению со случаем без учета потерь холода примерно в 1,5 раза.

Рост удельного расхода энергии в основном происходит за счет

увеличения количества жидкого азота, расходуемого в процессе.

Он возрастает при учете потерь холода более, чем в 1,6 раза.

8 С. С. Будисвпч 753 ИЗ

Удельное количество водорода, циркулирующего в соединенном

дроссельном цикле, возрастает при учете потерь холода от 3,17

до 4,02 кг!кг ж. На-

Таблица ,2. 13

Параметры узловых точек процесса (рис. 2. 24 н 2. 25)

Точки р ата

Т °К 1 кка.!/кг

Точки р ата

°к

I ккал/кг

1 1,0

300

1010,0

1,0 20,46 172,5

1' 1,0

68 295,0

1,0 • 77,36

30,3

2 140

300

1025,7

0,18

65,0 30,3

2' 140 68

240,0

0,18

300 133,25

1,0

20,46 65,85

Таблица 2. 14

Сводные данные расчета процесса ожижения водорода

Номер

расчетной

формулы

Численное значение

Определяемая величина

и ее размерность

Номер

расчетной

формулы

без учета

холодопотерь

с учетом

холодопотерь

Количество водорода, циркули-

рующего в дроссельном соединенном

цикле, кг* (2. 76)

3,17

4,02

Тепло, отводимое от ожижаемого

водорода жидким азотом, ккал . . .

(2. 77)

785,7 785,7

X олодопрои зводител ьность, в носи-

мая жидким азотом в соединенный

дроссельный цикл, ккал

(2. 78) 224,0

389,0

Полная холодильная нагрузка на

жидкий азот, ккал

(2. 79)

1009,7 1174,7**

Удельный расход жидкого азота,

кг***

(2. 80)

9,8

15,87

Удельный расход энергии на полу-

чение жидкого водорода, кет-ч . .

(2. 81) 24,3

36,97

Часовое количество водорода, сжи-

маемого водородным компрессором,

нж'/ч ****

32,9

39,6

Часовой расход жидкого азота,

кг/ч

—

6,95

11,25

* Величины отнесены к 1 кг жидкого Нг.

Без учета потерь холода в окружающую среду. Последние учтены су^1-

марно при определении расхода жидкого азота, как это предусмотрено выраже-

нием (2. 80 б).

Без учета расхода жидкого азота на вспомогательные нужды.

При Т =273° К и р = 760 мм рт. ст.

114

2. 8. ОЖИЖЕНИЕ ГЕЛИЯ

С помощью жидкого гелия можно получить температуры,

близкие к абсолютному нулю (вплоть до 0,7—0,9° К). При этих

температурах наблюдаются явления, изучение которых позволяет

проникнуть в тайны строения вещества. В последние годы гелие-

вые температуры находят все большее применение в технике,

особенно в ее новых отраслях, таких, как радиоэлектроника,

атомная энергетика, вычислительная техника и т. д.

Ожижение гелия связано с еще более значительными трудно-

стями, чем ожижение водорода. Его критические параметры:

Т^р - 5,17° К (—268,03° С); = 2,26 апш. Температура инвер-

сии составляет около 40° К- Следовательно, гелий, как и водород,

при температурах окружающей среды в иоцессе дросселирования

}1агревается, т. е. холодопроизводительность гелиевого дроссель-

1ЮГ0 цикла на температурном уровне окружающей среды является

величиной отрицательной. При давлении 1 ата жидкий гелий

кипит при температуре 4,3° К. Характерным для гелия является

низкая величина теплоты парообразования: при р == 1 ата она

составляет 5,7 ккал/кг. К особенностям его свойств необходимо

отнести малый удельный вес жидкости 0,125 кг!л при р = 1 ата,

а также сравнительно высокое значение теплоемкости газообраз-

ного гелия: Ср == 1,251 ккал/кг-град при р =- 1 ата и Т 293° К-

Для получения в гелиевом дроссельном цикле положительной

холодопроизводительиости его необходимо соединить с другими

циклами, которые создают холодопроизводительность на темпе-

ратурном уровне заметно ниже, чем температура инверсии гелия.

Практически это можно осуществить с помощью детандерных ге-

лиевых циклов, а также с помощью жидкого водорода, кипящего

под вакуумом. Рассмотрим ожижение гелия с помощью каскада

соединенных холодильных циклов.

В ожижении гелия этим методом участвует ряд холодильных

циклов, создающих холодопроизводительность на разных темпе-

ратурных уровнях. Все эти циклы соединены между собой и по-

этому характеризуются рядом общих свойств. Для удобства

изложения будем называть холодильные циклы, создающие

холодопроизводительность на более высоком уровне, — вышерас-

положенными, а создающие холодопроизводительность на более

низком температурном уровне, — нижерасположенными. Рассмот-

рим сейчас общие свойства участвующих в процессе ожижения

гелия холодильных циклов. Холодопроизводительность каждого

из названных циклов складывается из двух частей

<Зо - ^о^ + Со2. (2. 82)

Первая часть идет на охлаждение ожижаемого гелия от

низшего температурного уровня охлаждения вышерасположенного

цикла до низшего температурного уровня, создаваемого рассмат-

8* 115

риваемым циклом. Эти два температурных уровня для каждого

из холодильных циклов являются наиболее характерными.

Второе слагаемое уравнения (2. 82) ^о2 представляет собой

холодопроизводительность, вводимую данным циклом во все ниже-

расположенные циклы. Для каждого из последних она частично

идет на увеличение его холодопроизводительности, а частично —

на компенсацию в этом цикле потерь холода. При этом нагрузка,

связанная с увеличением холодопроизводительности каждого из

нижерасположенных циклов, равна избытку разности энтальпий

сжатого газового потока над разностью энтальпий расширенного

газового потока этих циклов на участках регенеративного тепло-

обмена, ограниченных двумя указанными выше характерными

температурными уровнями.

Доля холодильной нагрузки, идущая на компенсацию потерь

холода в пижерасположенных циклах, определяется потерями хо-

лода в этих циклах от неполного теплообмена и в окружающую

среду, имеющими место между теми же двумя характерными тем-

пературными уровнями. Из сказанного видно, что каждый из

циклов вносит холодопроизводительность во все нижерасположен-

ные циклы. Самую низкую температуру, необходимую для ожиже-

ния гелия, развивает гелиевый дроссельный цикл. Здесь, как

и в ранее рассмотренных процессах ожижения, вследствие того,

что ожнжаемый газ и рабочее тело гелиевого дроссельного цикла

представляют собой один и тот же газ, нет нужды их изолировать.

Для упрощения процесса оба названных потока перед гелиевым

компрессором смешиваются и отделяются друг от друга в ожижи-

тельном сосуде. На рис. 2. 26 изображена принципиальная ^хема

ожижения гелия с помощью каскада соединен-

ных циклов. Смесь ожижаемого гелия и гелия дроссель-

ного цикла сжимается в гелиевом компрессоре / до 25—30 ата

(процесс 1-2) и охлаждается в предварительном теплообменнике

азотной зоны II (процесс

2-2'>^),

ванне с жидким азотом III (про-

цесс 2^-2'), предварительном теплообменнике зоны атмосферного

водорода IV (процесс 2'-2х><), ванне с жидким водородом, кипящим

под атмосферным давлением, V (процесс 2хх-2"), предваритель-

ном теплообменнике зоны вакуумного водорода 1//{процесс 2 ^ ,

ванне с жидким водородом, кипящим под вакуумом VII (про-

цесс 2ХХХ-2'"), и основном теплообменнике VIII (процесс 2"'-3).

Далее, сжатый гелий дросселируется в процессе 3-4. В ожижитель-

ном сосуде IX происходит отделение жидкого гелия состояния О

от сухого насыщенного пара состояния 5.

Жидкий гелий выводится из процесса, а газообразный остаток,

представляющий собой рабочее тело дроссельного гелиевого

цикла, подогревается в теплообменнике VIII (теоретический про-

цесс 5-У'"), теплообменнике VI (процесс Г"-1"), теплообменнике/V

(процесс Г'-Г) и теплообменнике II (процесс Г-1). Перед компрес-

сором к рабочему телу добавляется свежий газ вместо ожижен-

116

ного. в рассматриваемом процессе различаются четыре характер-

ных температурных уровня: 1) уровень окружающей среды

2) уровень, определяемый температурой сжатого гелия после

охлаждения в вание с жидким азотом, кипящим под вакуумом

3) уровень, характеризующийся температурой сжатого гелия

после его охлаждения в ванне с жидким водородом, кипящим под

атмосферным давлением Тн/, 4) уровень, определяемый темпера-

турой сжатого гелия после его охлаждения в ванне с жидким во-

дородом, кипящим под вакуумом Тн,вак-

Рис. 2. 26. Ожижение гелия с помощью каскада холодильных

циклов

В процессе ожижения гелия по схеме, изображенной

на рис. 2. 26, участвуют следующие соединенные между собой

холодильные циклы: цикл жидкогр азота (жидкий азот); дроссель-

ный цикл атмосферного водорода; дроссельный цикл вакуумного

водорода; дроссельный гелиевый цикл.

Мы должны определить холодильную нагрузку на каждый из

названных циклов и величины газовых потоков в этих циклах.

Кроме того, необходимо определить удельный расход энергии

на ожижение гелия.

Переходим к изложению расчета рассматриваемого процесса

ожижения гелия. Начинаем с гелиевого дроссельного холодиль-

ного цикла. Следует отметить, что этот цикл является самым ниже-

расположенным (последним) из всех циклов, участвующих

117

в процессе. Вследствие этого холодильная нагрузка на этот цикл

складывается только из одной первой части ^о1 в выражении

(2. 82), определяемой теплом, которое нужно отнять при охлажде-

нии сжатого гелия от Тц^вак до состояния, характеризуемого

энтальпией ц. Установим количество гелия, циркулирующего

в гелиевом дроссельном цикле.

Здесь

Ср

"пе АТ'н'е" — потери холода от недорекуперацин в соедп-

нениом дроссельном гелиевом цикле;

— удельные потери холода в окружающую

_ 1 I К

среду в гелиевом соединенном цикле.

Удельная холодоироизводительность соединенного гелиевого

дроссельного цикла п» — /г™ = — мала. Она соста-

вляет при Тн,вак == 15° К (ро = 1 р

--=

26 ата) около

3,6 ккал/кг. Выше уже было указано, что теплоемкость газообраз-

ного гелия сравнительно велика. Поэтому АТие" принимается

равным 1° К. Для снижения теплопритоков через изоляцию в зоне

низких температур аппараты IV—IX ограждены металлическим

экраном, припаянным к ванне с жидким азотом III. При практи-

ческих расчетах удобно относить теплопритоки через изоляцион-

ные конструкции и по тепловым мостикам к 1 кг получаемого

жидкого гелия. Обозначим

= ккал/кг ж. Не. .

С учетом этого уравнение (2. 83а) перепишется в таком виде: ^

" - /,„) - ве А^й'е" - • ^ ^

Для ожижителей гелия небольшой производительности лабо-

раторного типа основании практических данных

[8, 9, 13 ] составляет около 0,125 ккал/л ж. Не (1,0 ккал/кг ж. Не).

При этом около 80% от этой величины падает на тепло, проника-

ющее теплопроводностью вдоль трубок (по тепловым мостикам),

и только около 20% лучеиспусканием через изоляционную кон-

струкцию в основном по незаэкранированным местам.

Теперь найдем холодильную нагрузку и величину потоков

в вышерасположенном дроссельном цикле вакуумного водорода.

Холодильная нагрузка на цикл вакуумного водорода состоит из

двух частей

-"= СоНгвак, '1"

0.(т-,вакг

. (2- 84)

118

где (Зон.мк, — это тепло, отнимаемое от сжатого ожижаемого

гелия кипящим под вакуумом жидким водоро-

дом при охлаждении гелия от температуры Тн^

до Ти^еак (рис. 2. 26):

^он,еак, =12" —IV ккал/кг Ж. Не; (2.85)

^он,вакг — холодопроизводительность, вносимая циклом ва-

куумного водорода в соединенный гелиевый дроссельный цикл:

= Упе [('2 к'") — (Ь" — Н") — СртНе АГн'е" ^0И гвакг

'^кпл/кг Ж. Нг. (2. 86)

о \'1 лт-'У! ЗПе

Здесь СртНеА-'Ие Н ^Т^^-Т^

^вак

Роп2 Рн^вак

соответственно потерн холо-

да от неполного теплообмена и в окружающую среду в гелиевом

соединенном цикле в области тем- 7

ператур потоков Гн, — Ти^вак-

Газообразный гелий выходит из

теплообменника VIII с температу-

рой ниже Тн^еак- Обусловленныб

этим потери холода от недореку-

перации в соединенном .гелиевом

цикле удается утилизировать в

более высокой области температур

при охлаждении сжатого гелия в

аппарате VII. Вследствие этого

уменьшается холодильная нагруз-

ка на жидкий вакуумный водород.

Последнее учтено в уравнении

(2. 86) стоящим со знаком минус

членом

Выражение для холодильной

нагрузки на цикл вакуумного

водорода имеет вид

^тфак = {к «2"') Т" ^Не [(«2"

гУ1 , ЗНе

Рис. 2. 27. Процессы использования

холода водорода при ожижении

гелия в 5—Г-диаграмме

с^тИе^Тне + д'т^ ккал/кв Ж. Не. (2.87)

Установим сейчас количество водорода, которое циркулирует

в цикла вакуумного водорода. На рис. 2. 27 в энтропийной диа-

грамме для На показаны процессы, происходящие с потоками во-

дорода при ожижении гелия. Обозначения точек, характеризу-

ющих состояние водорода на рис. 2. 27, приняты согласно рис. 2. 26.

Как видно из рис. 2. 26, газообразный вакуумный водород для

снижения сопротивлений и получения более глубокого вакуума

обходит аппарат VI и прямо направляется в аппарат IV, откуда

и выводится из блока глубокого охлаждения. Следовательно,

подогреваясь, он снижает холодильную нагрузку на цикл

атмосферного водорода, не снижая нагрузку на цикл вакуумного

водорода, а также на жидкий азот. Исходя из этого, количество

водорода, циркулирующего в дроссельном цикле вакуумного

водорода, будет равно

('2"

- '2«) + Уш

[('2"

- 'V") -

{Н"

Н-}

_ VIII VI

= ' ^^ Не+ '7Гн-Гн,,а« кг

УНгвак ('• „ ; \ „VI ЛТ^! „ЗНгвак кг Ж Не '

1Н,

'«Н.)

'ртЯ^еак

^Т^^.^к " ^Г н -

(2. 88а)

Здесь ^Тн^еак — потери холода от неполного теплообмена

в соединенном цикле вакуумного во-

дорода;

потери ХОЛОДЯ В окружающую среду

в цикле вакуумного водорода.

В рассматриваемом случае поток вакуумного газообразного

водорода не поступает в теплообменник VI. Поэтому потери от

недорекуперации равны 'с^!пн,вак к-н, — ки,-

Потери холода в окружающую среду в гелиевом соединенном

цикле в интервале температур потоков Тн^ — Ти^вак, а также

в цикле вакуумного водорода в том же интервале температур ком-

пенсируются холодопроизводительностью цикла вакуумного во-

дорода. В практических расчетах эти потери холода относят к 1 кг

ожижаемого гелия и учитывают суммарно. Обозначим

= ^^н

>^'<ал/Кг

Ж. Не.

При учете этого уравнение (2. 88 а) переписывается так •

(V -

«2„,) -1

(/не

[{Н"

'2'»)

- (й" -

«1"' )

.VIII ЛТ^Ш I ,У1 лтУП I лЗ

Упфак - 'вн^ —'оНа Не

(2. 886)

На основании практических данных [8, 9, 13] для гелиевых

ожижителей небольшой производительности лабораторного типа

Не (1,0 ккауг/кгж;. Не).

Определим теперь количество водорода, циркулирующего

в соединенном дроссельном цикле атмосферного водорода. Холо-

дильная нагрузка на этот цикл равна

^он, ^она -г -г Сон^з '^«ал/кг ж. Не. (2. 89)

В уравнении (2. 89) С^онг! — тепло, отводимое от ожижаемого

гелия при охлаждении его от Тн^ до Тн^'-

^онд Н' — V ж. Не; (2. 90)

120