Будневич С.С. Процессы глубокого охлаждения

Подождите немного. Документ загружается.

на выходе из теплообменника И 290

Температура газообразного вакуумного водорода на ны-

ходе из теплообменника IV, °К 60

Температура газообразного водорода атмосферного дав-

ления, °К:

на выходе из теплообменника IV 63

на выходе нз теплообменника II 290

Температура газообразного азота на выходе из тепло-

обменника //, °К 285

Холодопотери через внешние ограждения при Т <

ккал/кг ж. Не 1,0

' <'

И^вак

Холодопотери через изоляционные ограждения в цикле

вакуумного водорода в зоне температур потоков

от 7'н, ДО Т^н^вак Чтн.-ти.вак Не . . 1,0

Холодопотери через изоляцию и по тепловым мостикам

в цикле атмосферного водорода в зоне температур

потоков от до ккал/кг ж. Не 7,0

Суммарная величина удельных теплопритоков через изо-

ляционную конструкцию при Т > Т^^^ и притоков

тепла по припаянному к аппарату III (рис.

2. 26) металлическому экрану ^^

-1- АСоКг '^'^'^л/кг ж. Не • • 300

Решение. Определяем параметры узловых точек процесса.

Они приведены в табл. 2. 15. Далее находим величины потоков

и расход энергии на ожижение гелия. Результаты расчета сводим

Таблица 2. 15

Параметры узловых точек процесса

Точка

р ата Т

1 ккал/кг

Точка р ата г "К

1 ккал/кг

1,0 300 375,0

'п.

0,078 20,46

176,2

Г 1,0

88,12

1,0 300

1010,0

1,0

32,31

1,0 68 295,0

/"'

1,0

15,0 21,95

140,0

300 1025,7

300 377,5

140,0

68 240,0

68 88,75

1,0 20,46

65,85

23 30,45

0,078 13,9

161,0

2"'

15 18,30

0,078 13,9

161,0

1,0 4,2 2,4

1,0

77,36

30,3

1,0 4,2

7,45

0,18

65,0

30,3

0,078 300

1010,0

0,18 300

133,25

0,078

295,0

131

в табл. 2. 16. В варианте расчета без учета потерь холода счи-

тается, что газообразный вакуумный водород отсасывается через

все три теплообменника, включенные выше ванны с жидким водо-

родом VII, кипящим под вакуумом, т. е. через теплообменники

VI, IV и II. Следовательно, в отличие от изображенного на рис. 2. 26

холод газообразного вакуумного водорода используется полностью.

В варианте без потерь холода не учитываются также потерн от

испарения жидкого азота.

Таблица 2. 16

Сводные данные расчета процесса ожижения гелия (рис. 2. 26)

Определяемая величина

и ее размерность

Номер

расчетной

формулы

Численное значение

без учета

потерь

холода

с учетом

потерь

холода

Количество гелия, циркули-

рующего в соединенном гелие-

вом дроссельном цикле, ккал *

Тепло, отводимое от сжи-

жаемого гелия кипящим под

вакуумом жидким водородом,

ккал

Холодопроизводительность,

вносимая вакуумным водоро-

дом в гелиевый дроссельный

цикл, ккал

Полная холодильная на-

грузка на вакуумный водо-

род, ккал

Количество водорода, цир-

кулирующего в цикле вакуум-

ного На, тг

Тепло, отводимое атмосфер-

ным водородом от ожижаемого

гелия, ккал

Холодопроизводительность,

вносимая циклом атмосферно-

го водорода в гелиевый дрос-

сельный цикл, ккал ** . . .

Холодопроизводительность,

вводимая циклом атмосферного

водорода в цикл вакуумного

На, ккал

Полная холодильная на-

грузка на цикл атмосферного

водорода, ккал

Количество водорода, цир-

кулирующего в цикле атмо-

сферного Н.^, кг

132

(2. 83)

(2. 85)

(2, 86)

(2. 84)

(2. 88)

(2. 90)

(2.91)

(2. 92)

(2. 89)

(2. 93)

4,36

12,15

7,81

19,96

0,181

58,30

8,10

10,00

76,40

1,39

6,87

12.15

29,90

42,05

0,449

58,30

30.16

23,40

111,86

2,67

Продол жение табл. 2. 16

Номер

расчетной

формулы

Численное значение

Определяемая величина

и ее размерность

Номер

расчетной

формулы

без учета

потерь

холода

с учетом

потерь

холода

Суммарное количество Нг,

сжимаемого водородным ком-

прессором, кг

1,571

3,119

Тепло, отнимаемое жидким

азотом от ожижаемого гелия,

кшл

(2. 95)

288,75

Холодопроизводительность,

вводимая жидким азотом в ге-

лиевый дроссельный цикл,

кшл

(2. 96)

8,16

55,80

Холодопроизводительность,

вводимая жидким азотом в

цикл атмосферного водорода,

кшл

(2. 97)

98,25 245,00

Холодопроизводительность,

вводимая жидким азотом в,

цикл вакуумного водорода,

кшл

(2. 98)

12,80 349,00

Полная холодильная на-

грузка на жидкий азот, кшл

(2. 94)

407,96

938,55

Удельный расход жидкого

азота, кг

(2. 99)

4,065

12,50

Удельный расход энергии

на ожижение гелия, кет -ч . .

(2. 100)

15,23 35,20

Часовое количество Не, сжи-

маемого гелиевым компрессо-

ром, кг/н \нм^!ч) *** ....

5,4 (30,2) 7,92 (44,3)

Часовое количество На, сжи-

маемого водородным компрес-

сором, кг/ч (нм^/ч.)

1,585 (17,65)

3,14 (35,0)

Часовое количество Н.^, от-

сасываемого водородным ва-

куум-насосом, кг/ч (нм^/ч) . .

0,182 (2,035) 0,453 (5,05)

Часовой расход жидкого

азота, кг/ч (л/ч) ****

—

4,1 (5,075)

12,60 (15,60)

• Рассчитываемые величины отнесены к 1 кг ожижаемого гелия.

При определении составляющих холодильной нагрузки не учитываются

потери холода в окружающую среду для каждого из циклов в отдельности. Они

учтены суммарно при нахождении величины циркулирующих потоков, как это

предусмотрено равенствами (2.93) и (2.99).

•** При ( =0° Си р = 160 мм рт. ст.

•»•• Без учета расхода жидкого азота на вспомогательные нужды.

133

Из табл. 2. 16 видно, что потерн холода сильно влияют на про-

цесс сжижения. При учете потерь холода расход энергии на сжиже-

ние возрастает примерно в 2,3 раза. Это относится к установкам

малой производительности. В установках средней и особенно боль-

шой производительности влияние потерь холода снижается, так

как снижаются удельные теплоиритоки из окружающей среды

через изоляцию и по тепловым мостикам. Потери холода увеличи-

вают в три раза расход жидкого азота. Удельный расход энергии

на ожижение гелия растет в большей мере за счет увеличения рас-

хода жидкого азота. Примерно в 1,5 раза растет производительность

гелиевого компрессора; приблизительно в два раза — произво-

дительность водородного компрессора. Почти в 2,5 раза возрастает

производительность вакуум-насоса, отсасывающего газообразный

вакуумный водород.

Пример 2. Определить часовое количество гелия, циркулиру-

ющего в установке с детандером для ожижения Не (рис. 2. 28).

Найти также удельный расход жидкого азота и затрачиваемую

на ожижение энергию. Установить оптимальную температуру гелия

переддетандером. Обозначения аппаратов и других элементов уста-

новки, а также узловых точек процесса принимаются согласно

рис. 2. '25 и 2. 28. Сопротивление аппаратов и линий не учиты-

вается. Не учитывается также расход жидкого азота на вспомога-

тельные нужды. Расход энергии, затрачиваемой для получения

кг

жидкого азота, принимается 1,2 квт-ч. Дано и принимается:

Производительность установки, л1ч 8

Давление сжатого гелия, ата 25

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

Температура сжатого гелия после ванны с жидким азо-

том, °К 68

Температура кипения жидкого азота, °К 65

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

Температура Не низкого давления, °К:

на выходе из аппарата IV 65

на выходе из аппарата II 295

Температура газообразного азота на выходе из тепло-

обменника //, °К 280

Удельные теплопритоки извне через изоляционные ограж-

дения в зоне температур потоков

Т^ /^кал/кг ж. Не 10,0

Тепло, проникающее к ванне с жидким азотом по тепло-

проводному экрану, ограждающему аппараты с низ-

кой температурой, А^оКз К-тл1кг ж. Не ... 55,0

Тепло, проникающее извне через ограждения в зоне ап-

паратов VII и VIII, ктл/кг ж. Не . . 4,0

Тепло, проникающее извне через изоляционные огражде-

ния в зоне аппаратов IV н VI, —Т^^д '^'^ал/кг

ж. Не ' 12,0

Адиабатный к. п. д. детандера Цад 0,7

Изотермический к. п. д. компрессора Циз 0,6

134

Параметры узловых точек процесса

Т а бл и ца 2. 17

а:

а о.

О.

(у

о.

н о.

Е^

со

1,0

300

375,5

7,52 0

1,0

4,2

2,4 0,82

1,0

,12

5,70 1,0

77,36

30,3

0,682

25,0 300 377,5

5,92

0,18 65,0 29,5 0,682

2' 25,0 68 88 ,75

4,:

0,18 300

133,25 1,754

8 1,0

4,2

7,45

2,02

1,0

300 133,20 1,632

Параметры точек, одинаковые во всех 4-х режимах

Параметры точек, различные во всех режимах

I режим

режим

га

к:

р ата т °к

. ккал ^ ккал

р ата Г °к

. ккал

^ ккал

р ата т °к

кг

кг-град

р ата Г °к

кг

кг-град

3 25,0 50 65,55 3,69 25,0

30 40,0

3,05

4' 1,0

13,5 20,1

3,69 1,0 8,25

13,35 3,05

,1.0

24,2 33,74

4,43 1,0 14,5

21,34

3,79

а 1,0

49,6

64,92

5,32

1,0 28,6 39,37 4,64

25,0

25,2 33,6 2,84

25,0 15,5 19,24

2,06

1,0

25,2

35,05

4,5 1,0 15,5

22,59 3,88

25,0

24,2 32,2

2,79 25,0 14,5 17,72

1,96

III режим

IV режим

р ата

т °к •

. ккал ^ ккал

р ата

Т °К

. ккал

^ ккал

р ата

т °к • 1

кг

кг-град

р ата

Т °К 1

кг

кг-град

25,0

21,0

27,2

2,60 25,0 15,0 18,46 2,02

1,0

6,0

10,3 2,60 1,0

4,2

7,41

2,02

1,0

9,75

15,37 3,27

1,0 6,3

10,72

2,66

1,0

18,8

26,57

4,13

1,0

11,75

17,83

3,505

25,0

10,75

11,90

1,52

25,0 7,30 7,52

0,88

1,0

10,75 16,63 3,40 1,0 7,30

12,05 2,88

25,0

9,75 10,55

1,37

25,0

6,30 6,6

0,87

Примечание. Точка 5* соответствует состоянию сжатого Не на входе

в теплообменник VI в теоретическом случае.

135

Сводные данные расчета гели

Численное

Определяемая

Номер

Без учета

величина

расчетной

формулы

I режим П режим

Количество Не, циркулирующего

в гелиевом дроссельном цикле, кг *

(2. 101)

19,35

4,23

Тепло, отводимое от ожижаемого

гелия детандерным циклом, ккал . .

(2. 103)

56,55

71,03

Холодопроизводительность, вводи-

мая детандер ным циклом в дроссель-

ный, ккал

(2. 104)

42,00

18,06 •

Полная холодильная нагрузка на

детапдерный цикл, ккал

(2. 102)

98,55 89,09

Удельное количество Не, циркули-

рующего в детандерном цикле, кг . .

(2. 105)

3,16

4,94

Тепло, отнимаемое жидким азотом

от ожижаемого Не, ккал

(2, 107)

288,75

Холодопроизводительность, вводи-

мая жидким азотом в дроссельный

цикл, ккал

(2. 108)

26,51

5,80

Холодопроизводительность, вводи-

мая жидким азотом в детандерный

цикл, ккал

(2. 109)

4,33 6,77

Полная холодильная нагрузка на

жидкий азот, ккал

(2. 106)

319,59 301,22

Удельный расход жидкого азота,

кг**

(2. 110)

3,10 2,92

Удельный расход энергии на ожи-

жение гелия, квт-ч**

(2. 111)

25,81

13,175

Часовое количество Не, сжимае-

мого компрессором, кг/ч (нм'-^/ч) . .

— 23,7 (132,6) 10,26 (57,6)

Часовой расход жидкого азота, кг/ч

{л/ч)

—

3,13 (3,87) 2,94 (3,63)

* Величины отнесены к 1 кг жидкого Не.

** Без учета расхода жидкого азота на вспомогательные нужды

136

Таблица 2. 18

свого ожижителя с детандером

значение

1,69

78,20

9,21

87,41

7,80

288.75

2,32

10,69

301.76

2,93

13,485

10,58 (59,3)

2,96 (3,66)

потерь холода

С учетом потерь холода

III режим

IV режим

II режим III режим

IV режим

' 1,02

82,15

4,85

87,00

12,24

288,75

1,40

16,77

306,92

2,98

17,05

14,40 (80,7)

3,01 (3,72)

9,65

69,51

63,15

132,66

10,13

288,75

37,34

39,15

420,24

4,40

25,61

20,93 (117,1)

4,43 (5,48)

3,81

76,85

30,19

107,04

15,98

288,75

14,75

61,95

420,45

4,41

25,62

20,95 (117,2)

4,44 (5,49)

2,73

81,23

14,08

95,31

31,90

288,75

10,57

123,50

477,82

4,98

40,25

35,9 (201,0)

5,03 (6,23)

137

Потери холода через изоляционные ограждения в разных зонах,

включая теплопритоки через тепловые мостики, приняты ориен-

тировочно на основании опытных данных и должны быть уточне-

ны после разработки конструкции ожижителя.

Решение. Для того чтобы найти оптимальный режим, про-

изводим расчет четырех вариантов процесса ожижения, отлича-

ющихся температурами сжатого гелия перед детандером Тд.

Рассматриваем такие режимы:

Режимы ... I II III IV

Гз°К ... 50 30 21 15

По термодинамическим диаграммам определяем параметры

узловых точек и сводим их в табл. 2. 17.

В табл. 2. 18 приведены результаты расчета основных парамет-

ров ожижения гелия. Следует иметь в виду, что при определении

составляющих холодильной нагрузки на детандерный соединен-

ный цикл и цикл жидкого азота величина теплопритоков из окру-

жающей среды не прибавлялась. Эти теплопритоки учитывались

суммарно при нахождении величины потока гелия, циркулиру-

ющего в детандерном цикле, и расхода жидкого азота, как это

предусмотрено равенствами (2. 105) и (2. 110).

Анализ результатов расчета (табл. 2. 18) показывает, что оп-

тимальным является II режим. Правда, II и III режимы энерге-

тически почти равноценны. Холодопотери приводят к увеличению

расхода энергии (в оптимальном режиме) почти в два раза. В уста-

новках более крупных, чем рассчитываемая, влияние потерь хо-

лода должно снизиться. Холодопотери увеличивают примерно

в 1,5 раза расход жидкого азота и более чем в два раза количество

сжимаемого гелия. Из общего расхода энергии только 23—28?о

падает на составляющую, связанную с энергетическими затратами

на жидкий азот.

Для более ясного суждения о роли каждого из процессов, осу-

ществляемых при ожижении гелия, определяем их энергетическую

эффективность. При этом принимаем, что холодопотери отсут-

ствуют и Тз» == Г4.

В табл. 2. 19 приведены результаты расчета. Первые два про-

цесса, сжатие ожижаемого гелия (1-2) и его охлаждение {2-2'),

во всех четырех режимах являются энергетически одинаково эф-

фективными (ф1.2 = 0,6; ф2-2' = 0,076). Следовательно, различ-

ный удельный расход энергии в рассматриваемых режимах объяс-

няется разной энергетической эффективностью последних двух

процессов: 2'-5* и 5*-0.

Охлаждение ожижаемого газа 2'-5* осуществляется соединен-

ным детандерным, а 5*-0 — соединенным дроссельным циклом.

С понижением температуры перед детандером растет холодильная

нагрузка на детандерный и падает нагрузка на малоэффективный

138

Таблица 2. 19

Сводные данные расчета энергетической эффективности ожижения гелия

кет- ч

кг ж. Не

Процессы, осуществляемые над ожижаемым Не

1-2

2-2'

1ц. ж.N2

Ф2-2'

^2-2'

25,81

13,175

13,485

17,05

0,0737

0,1445

0,1413

0,1118

0,6

0.6

0,0155

0,0330

0,0320

0,0248

0,199

0,382

0,076

0,1375

0,2920

0,2840

0,2172

квт-ч

Процессы, осуществляемые над

ожижаемым Ие

квт-ч Е

'-5Х

5Х-0

кг ж. Не

?2'-5* Ф2'-5* 1

"^2'.5*

Ф5»-0

25,81

0,0737

0,288 0,845 0,243 0,0550

0,124 0,268 0,0333

0,792

13,175

0,1445 0,290 0,638 0,185

0,271

0,252 0,303 0,0765 0,404

III

13,485

0,1413 0,302

0,446

0,1346

0,495 0,2794

0,274

0,0766 0,189

IV 17,05

0,1118

0,302 ,0,320 0,0966 0,654 0,213 0,0365 0,0078 0,104

Дроссельный цикл. Это иллюстрируется следующими даиыми:

I II III IV

Режимы

Холодильная нагрузка на со-

единенный детандерный

цикл, ккал/кг ж. Не . . 56,55

Холодильная нагрузка на со-

единенный дроссельный

цикл, ктл/кг ж. Не . . 29,80

71,03 78,20 82,15

15,32

8,15

4,20

Снижение холодильной нагрузки на дроссельный цикл вна-

чале резко снижает удельный расход энергии.

В режимах III и IV дальнейшее снижение нагрузки на дрос-

сельный цикл уже дает обратный эффект. Это связано с увеличе-

нием необратимых потерь при использовании холода детандер-

ного цикла (^2'-5* = 0,320 в IV режиме против 0,638 во II), что

не компенсируется снижением нагрузки на дроссельный цикл.

Снижение термодинамического к. п. д. соединенного дроссель-

ного цикла в IV режиме (табл. 2. 19) объясняется физическими

свойствами гелия. Изотермический эффект дросселирования

(— Мт^ между давлениями 25 и 1 атаъ интересующей нас области

температур изменяется так:

°К .... 24,2 14,5 9,75 6,30

-/5, ккал/кг 1,54 3,62 4,82 4,12

139

Для I и П'режимов конечное давление гелия 25 шпа ниже

инверсионного при соответствующих температурах Т4. Инвер-

сионное давление при Т4, = 9,75° К (III режим) составляет около

20 ата. При Т^ = 6,3° К (IV режим) инверсионное давление,

соответствующее максимальному значению (14 — г», уже равно

примерно 8 ата. Следовательно, дроссельный цикл в III и IV

режимах целесообразно осуществлять при р <.25 ата. Если в IV

режиме дроссельный цикл реализовать при р = 8 ата, то расход

энергии на сжатие

кг газа циркулирующего в этом цикле снизился

бы более чем в 1,5 раза при одновременном росте удельной холодо-

производительности цикла в 1,25 раза. Правда, большого влияния

на весь процесс ожижения это бы не оказало, так как в IV режиме

доля излишнего расхода энергии, падающая на этот цикл, соста-

вляет всего около 10% (уг,*.о — 0,104). В итоге можно сделать сле-

дующие выводы.

Повышение эффективности процесса ожижения гелия в рассма-

триваемом случае в основном должно идти в направлении изы-

скания пути роста эффективности процесса охлаждения с помощью

соединенного детандерпого цикла. Причем прежде всего должны

быть снижены необратимые потери при использовании холода цикла

в процессе отвода тепла от ожижаемого гелия. Этого можно до-

биться, осуществив вместо одного два детандерных цикла, раз-

вивающих холодопроизводительиость на разных температурных

уровнях, и соответственно распределив охлаждение гелия на

участке 2'-5* между ними.

Целесообразно с энергетической точки зрения снизить давле-

ние в соединенном дроссельном цикле до инверсионного на уро-

вне Г4.

Совершенствование процесса охлаждения 2-2' также должно

дать эффект. В рассматриваемом случае энергетическая эффек-

тивность этого процесса низка (Ф2-2' = 0,076) и доля избытка

затрачиваемой работы, падающая на этот процесс, в оптимальном

режиме значительна (у2-2' = 0,292).