Исследование и разработка регенеративных циклов на элегазе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Паянен Рейно Игоревич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЦИКЛОВ НА ЭЛЕГАЗЕ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплоте>шика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 АПР 1015

МОСКВА-2015 005566676

005566676

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Энергетический Институт им. Г.М.Кржижановского»

Научный руководитель: доктор технических наук, Мазурии Игорь Михайлович

Официальные оппоненты:

Маришок Борис Тимофеевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», профессор кафедры техники низких температур

Цветков Олег Борисович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», заведующий кафедрой теоретических основ тепло- и хладотехники

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ", г. Москва

Защита состоится 21 апреля 2015 года в 15 часов на заседании совета Д 222.012.01 при Открытом акционерном обществе «Энергетический институт им. Г.М.Кржижановского» по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 19

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 19. Тел.: (495) 770-34-64, 770-34-15, факс: (495) 770-31-03. E-mail: maltseva@eninnet.ru.

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке Открытого акционерного общества «Энергетический Институт им. Г.М.Кржижановского». Диссертация размещена по адресу http://www.enin.su/file/training/naHHeH-flHccepTau™.pdr. Автореферат диссертации размещен на сайте ОАО «ЭНИН» по адресу http://www.enin.su.

Автореферат разослан « {£-у> cMCZj&HthJiO 15 г.

i

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 222.012.01 к.т.н., с.н.с. \ Лачугин Владимир Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время элегаз нашел широкое применение в различных сферах жизнедеятельности человека. Почти 90% мирового производства элегаза используется именно на высоковольтных электроподстанциях. На данный момент в России доля электрических подстанций на элегазе составляет около 5%. В то же время практически все высоковольтные электрические подстанции в Европе используют элегаз в качестве изоляции. Однако сейчас в нашей стране проводится активная замена электрических подстанций с маслонаполненным высоковольтным электрооборудованием на подстанции на элегазе, так как элегаз В качестве дугогасящей среды и газа-изолятора обладает рядом преимуществ по сравнению с маслом. Несмотря на очевидные преимущества, элегаз в течение длительной эксплуатации (за 5-10 лет) загрязняется продуктами своего разложения и компонентами воздуха, которые неизбежно проникают во внутренние полости аппаратов из-за большой разницы парциальных давлений.

По причине большого количества разнородных примесей универсального метода для очистки элегаза пока не найдено. Чаще всего используется последовательность элементарных способов, которая обеспечивает очистку примесей по группам. Однако необходимость в осуществлении сочетания элементарных способов очистки и регенерации элегаза до сегодняшнего дня исключала возможность создания простой установки для выполнения регенерации небольших количеств элегаза непосредственно на подстанциях. По этой причине в настоящее время вопрос о создании простого способа рецикла элегаза является актуальным, т.е. речь идёт о восстановлении его первоначальных свойств при ревизии высоковольтных элегазовых аппаратов. Причём такой способ должен быть легко исполним в условиях высоковольтной электроподстанции.

Степень разработанности проблемы. На сегодня известны работы, посвящённые исследованиям методов регенерации элегаза, однако предложенные решения позволяют обеспечить очистку элегаза исключительно от определённых групп примесей. Высококипящие примеси довольно легко удаляются на цеолитах и алюмогелях. В тоже время методики, разработанные для удаления низкокипящих примесей (особенно кислорода и азота), имеют низкую производительность и энергоэффективность. В связи с этим, отсутствие универсального способа удаления из элегаза всех групп примесей обуславливает необходимость в разработке комплексной системы очистки.

Цель работы заключается в разработке надёжных и простых способов рецикла элегаза, позволяющих получать на выходе продукт, отвечающий по

качеству принятым международным нормам. Для достижения цели автором работы решены следующие задачи:

• разработаны способы очистки элегаза;

• созданы макеты экспериментальных установок для реализации разработанных способов очистки элегаза;

\ • определены оптимальные параметры функционирования разработанных макетов установок рецикла элегаза;

• исследован холодильный цикл с использованием элегаза, позволяющий осуществлять фазовый переход «жидкость - твердое тело» с целью получения низких температур (от минус 70 до минус 50 °С) при одноступенчатом сжатии, а также обеспечивать условия для массовой кристаллизации - основного процесса в высокопроизводительном способе получения чистого элегаза.

Методология исследования базируется на основных положениях тепломассообмена и термодинамики бинарных смесей. Практические исследования основаны на экспериментальных измерениях и тепловых расчётах.

Научная новизна:

1. Определены равновесные концентрации бинарной смеси «азот - элегаз» на основе экспериментальных исследований фазового равновесия этой бинарной смеси.

2. Разработан и исследован новый универсальный способ очистки элегаза, который рассчитан на небольшие объёмы регенерируемого вещества.

3. Разработан и исследован новый способ очистки и регенерации элегаза на основе метода массовой кристаллизации, позволяющий получать высокочистый продукт в непрерывном процессе и в широком диапазоне производительности.

4. Разработана и испытана новая технология регенерации элегаза, предназначенная для небольших высоковольтных подстанций с использованием холода окружающей среды.

! 5. Исследован холодильный цикл с использованием элегаза, позволяющий осуществлять фазовый переход «жидкость — твердое тело» с целью эффективной очистки элегаза от низкокипящих примесей, а также получения низких температур (от минус 70 до минус 50°С).

Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные дают возможность решать задачу рецикла элегаза на простейшем оборудовании. Не менее значимы также и результаты исследования холодильного цикла на элегазе с фазовым переходом «жидкость - твёрдое тело», позволяющего в одноступенчатом цикле получать низкие температуры в диапазоне от минус 70 до минус 50 °С. В то же время значимость результатов выполненных работ обусловлена отсутствием в настоящий момент простых и удобных в

эксплуатации установок регенерации элегаза, которые позволяли бы получать элегаз с содержанием примесей на уровне нормативных показателей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Разработанная и испытанная автором технология регенерации элегаза на основе дистилляции, предназначенная для небольших высоковольтных подстанций с использованием холода окружающей среды.

2. Экспериментально исследованный автором способ очистки и регенерации элегаза на основе метода массовой кристаллизации, позволяющий получать высокочистый продукт в непрерывном процессе и в. широком диапазоне производительности. |

3. Экспериментально исследованный автором холодильный цикл с использованием элегаза, позволяющий осуществлять фазовый переход «жидкость - твердое тело» с целью получения низких температур (от минус 70 до минус 50 °С).

4. Результаты, полученные автором в ходе экспериментальных исследований равновесных концентраций бинарной смеси «азот - элегаз» для паровой и жидкой фаз.

Лично автором получены следующие результаты исследований:

• Равновесные концентрации бинарной смеси «азот - элегаз» для паровой и жидкой фаз.

• Способ непрерывной очистки элегаза на основе массовой кристаллизации, осуществляемой при дросселировании элегаза.

• Холодильный цикл с использованием элегаза, позволяющий осуществлять фазовый переход «жидкость - твердое тело» с целью получения низких температур (от минус 70 до минус 50 °С) при одноступенчатом сжатии.

Соответствие паспорту специальности. Соответствие диссертации формуле специальности: в соответствии с формулой специальности 01.04.14 -«Теплофизика и теоретическая теплотехника» (технические науки): диссертационная работа посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям процессов тепло- и массообмена элегаза при фазовом переходе «жидкость - твёрдое тело», с целью определения оптимальных термодинамических параметров цикла регенерации элегаза.

Соответствие диссертации области исследования специальности: отражённые в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности 01.04.14, а именно: к п.7 «Экспериментальные и теоретические исследования процессов совместного переноса тепла и массы в бинарных и многокомпонентных смесях веществ, включая химически реагирующие смеси».

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием современных калиброванных измерительных приборов (в первую очередь датчиков температуры и давления), а также применением современных методик анализа состава вещества масс-спектрометрическим способом. В то же время результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований, с высокой степенью точности согласуются с данными, имеющимися в литературе.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались автором на 13 научно-технических конференциях и семинарах, среди которых: международная конференция по инновационным проектам в электросетевом комплексе IPNES - 2010 (г. Москва, 2010 г.); конференция в рамках выставки «Электрические сети России - 2010» (г. Москва, 2010 г.); XVII и XVIII ежегодные международные научно-технические конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика" (г. Москва, 2011 г. и 2012 г.); I и III международные конференции «Промышленные газы» (г. Москва, 2011 г. и 2013 г.); международная конференция «Инновации в холодильной технике» (г. Москва, 2012 г.); IX международная научно-практическая конференция «Производство и потребление озонобезопасных хладонов и их заменителей в России. Проблемы, решения, перспективы» (г. Москва, 2012 г.); XII международная конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г. Новосибирск, 2012 г.); VII ежегодная международная научно-практическая конференция «Повышение эффективности энергетического оборудования -2012Í» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); международная научно-техническая конференция «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики» (г. Москва, 2012 г.); научно-технический семинар «Газотехнологические задачи при работе с элегазом» (г. Москва, 2013 г.); международная конференция «Промышленные газы» в рамках 12-ой международной специализированной выставки «Криоген-Экспо» (г. Москва, 2013 г.).

Основное содержание работы изложено в 10 публикациях, 3 из которых представлены в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из вводной части, трёх глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Объём работы составляет 141 страницу, в том числе: основная часть из 119 страниц. Список литературы включает 114 наименований. Диссертация содержит 30 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы исследования, отражена её актуальность, а так же описана практическая значимость работы.

В первой главе диссертационной работы основное внимание уделено постановке задачи исследования. В этой части главным моментом является раскрытие актуальности работы с точки зрения сложившейся ситуации в энергетической отрасли. Здесь в основном затрагиваются проблемы, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации непосредственно на высоковольтной подстанции, а также причины их появления.

Во второй части первой главы рассматривается актуальность работы с точки зрения требований, которые предъявляются к качеству элегаза международными нормативами качества. Здесь же затрагиваются законодательные аспекты, касающиеся первичного и повторного использования элегаза в различном высоковольтном электрооборудовании.

Также в первой главе представлены известные способы очистки элегаза от различных групп примесей. В данном разделе приведено описание как методов, рассчитанных на малую производительность, так и методов, которые предназначены для очистки больших объёмов элегаза (несколько тонн).

Помимо этого в данной главе описаны современные разработки в сфере рецикла элегаза (восстановления его первоначальных свойств), которые сейчас применяются в Европе и в нашей стране.

Однако все разработанные на данный момент схемы удаления примесей из элегаза имеют свои недостатки. Зачастую это касается отсутствия возможности удаления низкокипящих примесей, а также низкой эффективности предлагаемых схем очистки. Данный факт в очередной раз подчёркивает актуальность разработки схем рецикла элегаза, которые можно было бы легко реализовать как на самой электроподстанции, когда необходимо оперативно очистить элегаз, так и в случае, когда требуется очистить большие объёмы элегаза.

Вторая глава посвящена разработке оптимального метода удаления низкокипящих примесей из элегаза.

С целью поиска подходящего для новых условий метода очистки элегаза от низкокипящих примесей было предложено исследовать бинарную смесь «азот - элегаз» в состоянии равновесия. Методы удаления высококипящих примесей на сегодняшний день довольно подробно изучены. В общем случае, наиболее полную очистку можно выполнить, используя метод ректификации. Но этот способ применяют в основном для крупнотоннажного непрерывного производства, а для малых количеств очищаемого вещества он разорителен и неэффективен.

Среди низкокипящих примесей в первую очередь особого! внимания заслуживают примеси азота и кислорода. Это связано с тем, что наличие азота в элегазе приводит к значительному увеличению температуры дуги, возникающей

в выключателе при коммутации или в случае пробоя в высоковольтном аппарате. В то же время наличие кислорода в элегазе приводит к образованию нерекомбинирующих примесей. Растворимость азота и кислорода в жидком элегазе с понижением температуры будет неизбежно уменьшаться. Этот физический эффект и послужил основой для выбора простого способа удаления из элегаза низкокипящих примесей из состава воздуха. Выбор пал на дистилляцию. Для исследования возможностей дистилляции необходимо иметь кривые равновесия азот - элегаз в диапазоне равновесных концентраций.

К настоящему моменту известны лишь данные по равновесным концентрациям азота в жидкой фазе элегаза. Чтобы получить недостающие данные по кривым фазового равновесия бинарной смеси "азот - элегаз" было решено провести ряд экспериментальных исследований. Основной целью наших экспериментов являлось определение равновесных концентраций азота в паровой фазе элегаза при разных давлении и температуре.

Газы для приготовления смеси должны быть достаточно чистыми. После приготовления смеси выполняется суточная выдержка для диффузионного перемешивания газов. Пробы газа из баллона с жидким элегазом отбирались из жидкой и паровой фаз, и затем анализировались на масс-спектрометре. При отборе пробы из различных баллонов отмечено разное давление пара в зависимости от концентрации примесного азота.

Ниже приведены полученные автором экспериментальные данные, характеризующие растворимость азота в паровой и жидкой фазах элегаза (таблица 1).

Таблица 1. Растворимость азота в паровой и жидкой фазах элегаза при разном давлении.

№ Давление в Концентрация азота Концентрация азота

эксперимента баллоне, атм. в жидкой фазе, % в паровой фазе, %

1 20,48 0.101 0,49

2 21,23 0,32 1,12

3 21,84 0,46 1,78

4 22,58 0,64 2,91

5 23,05 0,72 3,74

Полученные значения по растворимости азота в жидкой фазе элегаза полностью совпали с известными данными (рисунок 1). На диаграмме синим цветом отмечены ранее известные значения. Данные по жидкой фазе, полученные в ходе эксперимента, показаны красным цветом. Зелёным цветом показана кривая фазового равновесия для паровой фазы смеси «азот - элегаз».

Полученные оценочные данные подтвердили ранее известную растворимость азота в жидком элегазе на уровне 0,84% массовых. При этом

давление пара загрязнённого элегаза существенно отличается от давления пара чистого элегаза. На уровне 20 °С различие в давлении пара для чистого (от азота) элегаза и предельно загрязнённого (0,84% масс.) составляет 3,5 атм. С понижением температуры это различие будет уменьшаться.

Рисунок 1. Диаграмма фазового равновесия «элегаз-азот»

Так же важно заметить, что аналогичная картина наблюдалась при анализе растворимости кислорода в элегазе.

Полученные данные подтвердили возможность использования дистилляции как удобного метода очистки элегаза от низкокипящих примесей. Для подтверждения изложенных выше предположений было решено провести следующие экспериментальные исследования.

ш ш Баллон, в котором находилась бинарная

смесь «азот - элегаз» в жидком состоянии, соединялся через «сухой» (т.е. с несмазываемой гильзой цилиндра) компрессор с принимающим баллоном. Принципиальная схема проводимого эксперимента показана на рисунке 2.

В начале эксперимента производилась * откачка паровой фазы в принимающий баллон. Процесс прекращался как только давление в отдающем баллоне становилось равным 1 атм. При Рисунок 2. Принципиальная данном значении давления элегаз имеет схема эксперимента

0 0

0 0 Компрессор

температуру минус 63 °С и находится в твёрдом состоянии. Затем осуществлялся отогрев отдающего баллона и производился отбор пробы из жидкой фазы для последующего определения концентрации оставшегося азота в элегазе.

Результаты экспериментов, а также их основные характеристики представлены в таблице 2.

Можно заметить, что коэффициент разделения а азота по жидкости, рассчитанный по формуле 1, составляет: = С „отав„ _ 0,25-аа3°Та 0,05

Также важно отметить, что дополнительное охлаждение отдающего баллона перед началом эксперимента позволяет не только понизить концентрацию азота в жидкой фазе элегаза, но и получить меньшие потери чистого продукта после удаления пара, обогащенного азотом. Таблица 2. Основные параметры эксперимента.

Параметр До эксперимента После эксперимента

Давление в отдающем баллоне, атм. 7 1

Давление в принимающем баллоне, атм 1 20

Температура в отдающем баллоне, "С -20 -63

Температура в принимающем баллоне, "С 20 20

Масса отдающего баллона (нетто, по паспорту), кг 50,4 50,4

Масса отдающего баллона (брутто), кг 102,2 73,7

Масса принимающего баллона (брутто), кг 51,5 79

Концентрация азота в отдающем баллоне, % 0,25 0,05

Все эксперименты данной серии проводились при постоянной скорости откачки. Однако при изменении её значения наблюдались существенные отличия конечной концентрации азота в очищенном элегазе. Для того чтобы определить степень влияния скорости откачки на характеристики процесса (масса чистого продукта в конце эксперимента, концентрация примесей в чистом продукте) был проведён ряд качественных экспериментов, в которых скорость откачки отличалась примерно в 2 раза. Ниже приведена таблица с основными характеристиками экспериментов для сравнительного анализа (таблица 3).

На основе данных, полученных в ходе экспериментов, удалось сделать следующий вывод: при меньшей скорости откачки паровой фазы элегаза из отдающего баллона можно получить на выходе более чистый продукт, чем при более высокой скорости откачки. Также меньшая скорость откачки ведёт к меньшим потерям самого элегаза, который удаляется вместе с паровой фазой.

Элегаз с большим содержанием азота можно очищать дистилляцией, но при этом вполне возможен переход жидкости в твёрдую фазу, поскольку всё тепло от испарения остаётся в баллоне и его может хватить на кристаллизацию оставшейся жидкой фазы. Выход чистого продукта при этом будет меньше.

Таблица 3. Основные характеристики экспериментов.

Параметры эксперимента Эксперимент №1 Эксперимент №2

Время, мин 137 213

Начальная концентрация азота, % 0,319 0,245

Конечная концентрация азота, % 0,07 0,022

Коэффициент разделения 4,56 11,14

Коэффициент выхода продукта 0,43 0,47

Результаты проведённых экспериментов также подтвердили известные

данные о том, что растворимость азота в твёрдой фазе элегаза примерно вдвое меньше его растворимости в жидкости вблизи тройной точки. Полученные значения доказали целесообразность использования кристаллизации, как наиболее эффективного способа удаления низкокипящих примесей из элегаза.

Также в диссертационной работе рассмотрены процессы, которые происходят вблизи границы раздела фаз. Большой практический интерес вызывает изучение процесса конвекции, которая имеет место во всём объёме жидкой фазы элегаза. Поэтому было решено рассмотреть 2 варианта развития естественной конвекции в отдающем баллоне (рисунок 3). В первом случае осуществлялось дополнительное охлаждение отдающего баллона путём его погружение в сосуд с жидким азотом. Во втором случае отдающий баллон находился при температуре окружающей среды.

а) б)

Рисунок 3. Конвекция в баллоне при его дополнительном охлаждении жидким азотом (а) и без дополнительного охлаждения (б)

Качественный анализ интенсивности естественной конвекции осуществляют на основе критерия Рэлея. В случае с охлаждаемым баллоном, разница температур стенки и элегаза в центре баллона может достигнуть 132 °С. При этом значение критерия Рэлея составит:

| Ка = г./?.АТ13, 2.с = 9,81 »0,003» 132 ^ . 185()2 . ?45д = 2 и . 1().4

| р 0,0005 • 0,0813

| В случае с неохлаждаемым баллоном (примем ДТ = 1 К) значение критерия Рэлея составит:

И.а= 9-81<0-003>1 I3-18502-745,2= 1,85-1012.

0,0005 »0,0813

Очевидно, что в случае с охлаждаемым баллоном конвекция, возникающая в баллоне, будет значительно интенсивнее, чем в случае с неохлаждаемым баллоном. Два порядка отличия в температуре дают два порядка отличия по величине критерия Релея, что существенно влияет на скорость выравнивания концентраций примесей в жидкой фазе.

В третьей главе рассматривается промышленная схема рецикла элегаза, рассчитанная на большую производительность (15-25 тонн).

Для регенерации больших объёмов элегаза в заводских условиях был исследован непрерывный цикл очистки с использованием массовой кристаллизации при фазовом переходе «жидкость - твёрдое тело».

Схема цикла показана на рисунке 4. Диаграмма цикла в координатах (Ь-^р) представлена на рисунке 5.

Принцип работы установки заключается в следующем: на всасывание в компрессор подаётся элегаз температурой 20°С и давлением 1 атм. В компрессоре осуществляется сжатие элегаза до 20 атм. Затем прямой поток элегаза поступает в конденсатор, где происходит его полная конденсация при температуре окружающей среды. После этого прямой поток жидкого элегаза проходит через теплообменный аппарат, в котором осуществляется его предварительное охлаждение за счёт теплообмена с более холодным обратным потоком элегаза. Затем элегаз в жидком состоянии собирается в дистилляторе, после которого подаётся на дроссель. После дросселирования до 1 атм. элегаз переходит в твёрдое состояние и скапливается в виде мелкодисперсных кристаллов на дне сублиматора, в котором предусмотрен отбор пара в обратный поток. Обогащенный низкокипящими примесями пар в виде обратного потока проходит через блок теплообменного оборудования и подаётся на компрессор вместе с прямым потоком. Избыток низкокипящих примесей, накапливающийся в паровой фазе элегаза в дистилляторе, периодически выводится наружу через адсорбер-утилизатор, в котором элегаз отделяется от низкокипящих примесей за счёт сорбции на углях. Сами низкокипящие примеси сбрасываются в атмосферу.

Пополнение цикла, необходимое для компенсации той части элегаза, которая скопилась в виде твёрдого продукта в сублиматоре, осуществляется из прямого потока на входе в компрессор.

220 258 308 362

Рисунок 4. Принципиальная схема непрерывной очистки элегаза

Рисунок 5. Диаграмма цикла непрерывной очистки

Проведём тепловой расчёт данного цикла (рисунок 5).

Уравнение теплового баланса для теплообменного аппарата имеет следующий вид:

й, -(Ь4-Ьз) = 02-(Ь8-Ь7),

где: в] - расход прямого потока элегаза;

02 - расход обратного потока элегаза.

Выполнив определённые математические преобразования, получим зависимость энтальпии в точке «4» от отношения расходов обратного и прямого потоков Ог/О]. Зависимость Ьц (в^вг) будет иметь следующий вид: Ь4 = Ьз-02/0| -(Ьв-Ьт).

В случае равенства расходов прямого и обратного потоков (С2/ О, = 1) значение энтальпии в точке «4» составит:

Ь4 = 220 - 1 • (308 - 257) = 169 кДж/кг.

Для данного значения энтальпии температура точки «4» имеет значение Т4 = -35 °С. Важно заметить, что на реальных установках равенство расходов (в2 = в|) характерно только для пускового режима. Т.е. в тот период времени, когда установка выходит на рабочий режим, и после дросселирования не происходит образования твёрдой фазы. Результаты проведённых экспериментов, о которых речь пойдёт ниже, показали, что соотношение расходов в таком цикле на рабочем режиме колеблется около значения 02/0; = 0,5.

В таком случае (при 02/С[ = 0,5):

Ь4 = 220-0,5 -(308-257)= 194,5 кДж/кг.

Для данного значения Ь4 температура точки «4» имеет значение Т4 = -7 °С.

При этом нагрузка на конденсатор составит: = Ь2 - Ь3 = 362 - 220 = 142 кДж/кг.

Если рассматривать данный цикл с точки зрения его практической реализации, то становится понятно, что бесконечно накапливать твёрдый продукт в сублиматоре не получится, и его надо каким-то образом оттуда удалять. Поэтому было решено рассмотреть схему с дополнительным теплообменным аппаратом в сублиматоре, в котором тепло от прямого потока элегаза используется для отогрева твёрдого продукта в сублиматоре.

В связи с этим принципиальная схема установки претерпит определённые изменения и будет выглядеть следующим образом (рисунок 6).

Проведём тепловой расчёт цикла обновлённой схемы установки. Диаграмма цикла не претерпит существенных изменений (рисунок 7).

МПа

Пополнение цикла

Конденсатор Компрессор

\Т/оаппэра1Ыо2 \т/о аппарат №1

0.22 0.1

/Г 1}

/ } /

) / / /

( /

1 7 7- 1(8)

Ь,

220 258 308 362

Рисунок 6. Схема рецикла элегаза с рекуперацией тепла прямого потока

Рисунок 7. Диаграмма цикла непрерывной очистки с регенерацией тепла в сублиматоре

Рассчитаем то количество холода, которое мы отберём от твёрдой фазы элегаза, переводя её в жидкое состояние:

0 = Ь7- - Ь7 = 258 - 194,5 = 63,5 кДж/кг.

Следовательно, в данной схеме нагрузка на конденсатор составит: Мкд2 = Ыкд1 - 0 = 142 - 63,5 = 78,5 кДж/кг.

Таким образом, удаётся снизить нагрузку на конденсатор на 44,7 %: ^ = ^5 =0,447.

142

В общем случае скорость накопления продукта Опр является функцией мощности используемого теплообменного оборудования. В этом можно убедиться, решив систему двух уравнений теплового баланса для обоих теплообменных аппаратов:

Са • (А4 - й5) = С, • (й7„ - й7), • Ог3 - Л4) = С2 • (Л 8 -

Учитывая, что П5 — П7 получим ЗАВИСИМОСТЬ ДЛЯ Опр'

К 7

Для проверки работоспособности вышеописанной схемы был проведён ряд экспериментов, основной целью которых было определение балансовых соотношений. Для этого было предложено смоделировать эту схему, используя следующий состав оборудования:

1. Сублиматор. 2. Отдающий баллон с элегазом в жидкой фазе. 3. Теплообменный аппарат типа «труба в трубе». 4. Дроссель. 5. Манометр на сублиматоре. 6. Ртутный термометр. 7. Газгольдер.

Схема эксперимента выглядит следующим образом (рисунок 8):

На начальном этапе в рубашку сублиматора в течение двух часов подавался жидкий азот для охлаждения корпуса сублиматора. Перед стартом продувки производился отбор пробы жидкой фазы элегаза из отдающего баллона для определения начальной концентрации низкокипящих примесей.

Эксперимент начинался с подачи на дроссель жидкого элегаза при температуре минус 43 °С и давлении 3 атм. После дросселирования до давления 1 атм. элегаз переходил в твёрдую фазу в виде мелкодисперсных гранул, которые скапливались на дне сублиматора при температуре минус 63 °С. Из сублиматора осуществлялся отбор паровой фазы элегаза, обогащённой низкокипящими примесями. Далее газообразный элегаз проходил через медный регенеративный теплообменник «труба в трубе» и поступал в газгольдер, где осуществлялся его сбор. По окончании эксперимента твёрдый элегаз, скопившийся на дне сублиматора, отогревался. После чего проводился его слив в принимающий баллон. В заключительной стадии эксперимента производился отбор пробы жидкой фазы из принимающего баллона для определения в нём концентрации низкокипящих примесей.

Начальная концентрация низкокипящих примесей составляла 0,5%. масс., в то время как конечная (после проведения эксперимента) - 0,08%. масс.

Как видно из полученных значений концентраций предположение о целесообразности использования кристаллизации совместно с последующей десублимацией для удаления низкокипящих примесей оказалось верным. Если в

Рисунок 8. Принципиальная схема эксперимента

случае с дистилляцией коэффициент разделения составлял около 5 ед., то при кристаллизации с десублимацией его значение составляет:

а = С„„,иа., = 0,5 =625

^азота - -

С „0„„п 0,08

После разработки схемы регенерации элегаза обязательно встаёт вопрос о практической реализации данной схемы, которая может быть рассчитана на крупнотоннажный объём очистки. Для организации непрерывного процесса очистки элегаза в промышленных условиях с использованием метода массовой кристаллизации, была разработана схема, представленная на рисунке 9.

1 - компрессор,

2 - конденсатор,

3 - теплообменный аппарат,

4,5,6- теплообменные аппараты в сублиматорах,

7 — дистиллятор,

8 — адсорбер-утилизатор, 9, 10, 11 - вентили подачи на дроссель, 12. 13, 14 — дроссели. 15, 16, 17 — сублиматоры, 18. 19, 20 — вентили подачи в тепплообменные аппараты 4. 5. 6. 21. 22, 23 — вентили слива жидкой фазы.

Особенность данной схемы заключается в том, что при заполнении одного из сублиматоров чистым продуктом не требуется прерывать работу всей установки и ждать, когда весь твёрдый продукт перейдёт в жидкую фазу и его можно будет слить.

По сравнению со схемой с одним сублиматором, предлагаемая схема имеет большие преимущества, которые главным образом заключаются в снижении энергозатрат в расчёте на единицу массы получаемого продукта.

Также в третьей главе диссертации рассматривается возможность использования элегаза в качестве рабочего тела холодильного цикла. Данный вопрос представляет определённый интерес в свете актуальности разработки новых хладагентов для современной энергетики. Это связано в первую очередь с тем, что многие фреоны, широко используемые в действующих холодильных установках, постепенно выводятся из оборота. Вызвано это введением ограничений на их производство по причине негативного влияния данных хладагентов на озоновый слой и окружающую среду в целом.

Рисунок 9. Промышленная схема рецикла элегаза

Таким образом, можно сделать вывод о том, что элегаз имеет широкие перспективы применения в качестве хладагента. В первую очередь это обусловлено уникальным сочетанием свойств в отношении безопасности человека, коррозионных свойств, термической стабильности и пожаротушащих свойств. В связи с этим было решено по иному взглянуть на некоторые параметры установки регенерации элегаза, описание которой приведено выше.

В первую очередь обращают на себя внимание температурные характеристики цикла. Тот уровень температур (от минус 70 до минус 60 °С), который имеет чистый элегаз, скапливающийся на дне сублиматора, характерен для температур в испарителе низкотемпературной установки.

Высокая тройная точка, характерная для элегаза (2,17 атм.) позволяет использовать данный цикл в двух вариантах:

• с дросселированием на жидкую фазу. При этом реализуется обычный холодильный цикл для получения температур в испарителе выше минус 50,8 °С;

• с дросселированием на твёрдую фазу. В этом случае удаётся достичь температуру ниже минус 50,8 °С, если давление после дросселирования ниже тройной точки.

Ниже рассмотрены 2 варианта решения холодильного цикла: 1. Жидкофазный (рисунок 10), без перехода «жидкость - твёрдое тело» после дросселя, т.е. с жидкофазным испарителем. Цикл предполагает регенерацию холода за счёт теплообмена прямого и обратного потоков. Диаграмма данного цикла представлена на рисунке 11.

Компрессор Конденсатор

Т/о аппарат

Рг МПа

0.24 0.22

Рисунок 10. Схема холодильного цикла на элегазе с жидкофазным испарителем

Рисунок 11. Диаграмма (И — ^р) холодильного цикла на элегазе с жидкофазным испарителем

Основные характеристики данной схемы приведены ниже:

• Удельная холодопроизводительность: q0= Ь6 - Ь5 = 96 кДж/кг;

• Удельная работа компрессора: = Н2 — =42 кДж/кг;

• Удельная нагрузка на теплообменный аппарат: qтo = Ь3 - Ь4 = 54 кДж/кг;

• Удельная производительность конденсатора: 1кд= h2 - h3 = 138 кДж/кг;

• Степень повышения давления: л = p2/pi = 8,33;

• Холодильный коэффициент: е = q0 / 1кш = 2,4;

При этом температура за компрессором будет иметь значение Т2 = 105 °С. 2. Твердофазный цикл. После дросселя образуется твёрдая фаза элегаза в виде мелкодисперсных кристаллов.

Цикл данной установки также предусматривает регенерацию холода (рисунок 12). Диаграмма данного цикла представлена на рисунке 13.

Компрессор Коадансатор Т/о аппарат

PftWEWP '' Б

Испаритель

Рисунок 12. Схема холодильного цикла на с твердофазным испарителем

Основные характеристики данной схемы приведены ниже:

• Удельная холодопроизводительность: ц0= Ь6 — Ь5 = 103 кДж/кг;

• Удельная работа компрессора: 1км = Ь2 — Ь) = 60 кДж/кг;

• Удельная нагрузка на теплообменный аппарат: qтo = Из - Ь4 = 65 кДж/кг;

• Удельная производительность конденсатора: = И2 — Ь3 = 163 кДж/кг;

• Степень повышения давления: л = р2/р! = 20;

• Холодильный коэффициент: е = 1кт = 1,78;

При этом температура за компрессором будет иметь значение Т2 = 130 "С.

Несмотря на крайне низкий коэффициент адиабаты у элегаза (1,02-1,04), реализация твёрдофазной схемы потребует использование двухступенчатого компрессора. Также реализация схемы с переходом на твёрдую фазу потребует более мощного теплообменного аппарата. Это связано с большей тепловой нагрузкой при теплообмене прямого и обратного потоков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Получены данные фазового равновесия бинарной смеси «азот -элегаз» в области малых концентраций (до 0,84% массовых) в жидкой и паровой фазах.

tePe МПа

0.22 -

Рисунок 13. Диаграмма (h - lgp) холодильного цикла на элегазе с твердофазным испарителем

2. Разработан упрощённый способ очистки, рассчитанный на регенерацию небольших объёмов (10 - 50 м3) элегаза.

3. Исследован способ очистки и регенерации элегаза на основе метода массовой кристаллизации. Данный способ позволяет получать высокочистый продукт в непрерывном цикле и в широком диапазоне производительности.

4. Разработана и испытана технология регенерации элегаза. Предложенная схема очистки рассчитана для реализации на небольших высоковольтных подстанциях с использованием холода окружающей среды.

5. Испытана технология регенерации элегаза, рассчитанная на очистку элегаза в промышленных объёмах. Данная схема предназначена для централизованной системы сбора и регенерации больших объёмов элегаза.

6. Экспериментально доказана работоспособность разработанных схем очистки элегаза.

7. Исследован холодильный цикл с использованием элегаза, позволяющий осуществлять фазовый переход «жидкость — твердое тело» с целью получения низких температур (от минус 70 до минус 50°С) при одноступенчатом сжатии.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАНЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Паянен, Р.И. Холодильный цикл для восстановления свойств элегаза / Р.И. Паянен, И.М. Мазурин // Холодильная техника. -2013. -№ 5. - С. 30-33.

2. Паянен, Р.И. Схемы регенерации элегаза из высоковольтных аппаратов / Р.И. Паянен, И.М. Мазурин // Электро- Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2014. -№3. - С. 2427.

3. Паянен, Р.И. Утилизации элегаза при ремонте и ревизии элегазового оборудования / Р.И. Паянен, P.JI. Герасимов, Д.И. Мазурин // Энергетик. - 2015. - в печати.

Публика11ии в других научных изданиях:

4. Паянен, Р.И. Исследование тепломассообмена элегаза в обратном цикле Ренкина с фазовым переходом «жидкость - твердое тело» / Р.И. Паянен, И.М. Мазурин // Промышленные газы: материалы второй международной научной конференции / Москва: МГТУ им. Баумана, 2011. - С.160 - 170.

5. Паянен, Р.И. Исследование тепломассообмена SF6 в обратном цикле Ренкина с фазовым переходом «жидкость - твёрдое тело» / Р.И. Паянен, И.М. Мазурин // Теплоэнергетика. Энергия-2012: материалы VII региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. В

7-и т. / Иваново: ФГБОУ ВПО Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, 2012. - Том 1. Часть 2. - С.120-125.

6. Паянен, Р.И. Низкотемпературный цикл на SF6 с фазовым переходом «жидкость - твердое тело» / Р.И. Паянен, И.М. Мазурин // Инновации в холодильной технике: материалы международной конференции / Москва: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2012. - С.29 - 32.

7. Паянен, Р.И. Исследование тепломассообмена элегаза в обратном цикле Ренкина с фазовым переходом «жидкость - твердое тело» / Р.И. Паянен, И.М. Мазурин // Современные техника и технологии: сборник трудов XVIII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. В 3-х т. / Томск: Томский политехнический университет, 2012. — Т. 1. -С. 223-224.

8. Паянен, Р.И. Рецикл SF6 в высоковольтной электроэнергетике / Р.И. Паянен, И.М. Мазурин // Повышение эффективности энергетического оборудования: материалы VII ежегодной международной научно-практической конференции. В 2-х т. / Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2012. - Т. 1. - С.492 - 495.

9. Паянен, Р.И. Рецикл SF6 в высоковольтной электроэнергетике / Р.И. Паянен, И.М. Мазурин // Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики: сборник докладов международной научно-технической конференции / Москва: Изд-во ОАО «НИКИЭТ», 2012. - С.579 - 580.

10. Паянен, Р.И. Исследование возможностей элегаза (SF6) для получения низких температур в холодильном компрессионном цикле / Р.И. Паянен, И.М. Мазурин // Промышленные газы: материалы третьей международной научной конференции / Москва: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2013. -С. 46-47.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве:

[1,2, 4-9] - участие в разработке основных теоретических положений и проведении необходимых тепловых расчётов; [3, 10] - участие в разработке основных теоретических положений и сборе аналитических данных.

ПАЯНЕН Рейно Игоревич ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЦИКЛОВ НА

ЭЛЕГАЗЕ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского», 119991, г. Москва, Ленинский пр-т, д. 19

Подписано в печать: 06.03.15

Объем: 1,3 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 543 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинский проспект, д. 2 (495) 978-66-63, vvwvv.reglet.ru